Master-/Diplomarbeiten

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Grundsatzuntersuchungen zur pulvermetallurgischen Herstellung von Aluminiumschäumen mit der Zielsetzung, durch die Einbringung von Titanborid (Ti2B) -Verstärkungspartikeln eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum unverstärkten Schaum zu erreichen. Hierzu werden die Aluminiumlegierung AlMg4Si8 sowie die in unterschiedlicher Konzentration beigefügten Ti2B-Verstärkungspartikel mithilfe von Titanhydrid als Treibmittel aufgeschäumt und anschließend untersucht. Durch Druckversuche, welche in Anlehnung an die DIN 50134 Norm für zellulare Metalle durchgeführt werden, können Aussagen über die Veränderung der Druckfestigkeit und Materialsteifigkeit getroffen werden. Darüber hinaus werden die metallographisch vorbereiteten Schäume zusätzlich auf ihre Porengröße und Porenverteilung untersucht. Des Weiteren wird mittels EDX-Analyse die elementare Zusammensetzung der Schäume analysiert. Mit den gewonnenen Ergebnissen kann ein Verbesserungspotenzial durch die Einbringung der Verstärkungspartikel festgestellt werden.

Diese Arbeit beschreibt den Entwicklungsprozess einer numerischen und experimentellen Methodik zur Evaluierung von statischen Dichtungskonzepten zur effizienteren Bewertung virtueller Konstruktionsansätze. Bereits in frühen Entwicklungsphasen muss der Einfluss von geometrischen Festlegungen wie z.B. Verschraubungspositionierungen, insbesondere bei Dichtsystemen analysiert werden. Eine mögliche korrosive Unterwanderung der Dichtung bei z.B. Elektronikgehäusen kann zu einer Flüssigkeitskontaminierung funktionswichtiger Komponenten und dadurch zum Ausfall dieser führen. Entscheidend dabei ist, die Gestaltung des gesamten Dichtsystems inklusive Gehäuse- und Dichtungsmaterialien aber auch des geometrischen Aufbaus mit entstehenden Spalten. Zugrunde liegt die Annahme einer Korrosionsabhängigkeit von der Spalthöhe unmittelbar vor der Dichtung, da sowohl der Flüssigkeitsbenetzungsprozess durch den Kapillardruck als auch der Rücktrocknungsprozess beeinflusst werden. Eine Kopplung verschieden großer Kapillaren führt zu Unterschieden im Rücktrocknungsprozess des Spaltelektrolyten. Die verzögerte Rücktrocknung kleiner Kapillaren führt zu einer Verlängerung der Elektrolytreaktionszeit und resultiert in einem gesteigerten Abtragsprozess. Mithilfe numerischer FEM-Berechnungen und experimenteller Analysen werden Einflussparameter für die Entstehung ungünstiger Spalthöhen unmittelbar vor der Dichtung ermittelt. Die Durchführung von Druckmessfolien-Versuchen ermöglicht die Validierung der FEM-Simulationsergebnisse hinsichtlich resultierender Kontaktbereiche zwischen den Dichtsystembauteilen. Durch computertomographische Untersuchungen können nach der Montage der Dichtsystemkomponenten, in-situ die entstehenden Spaltöffnungen analysiert werden. Mithilfe der Durchführung von neutralen Salzsprühnebel-Versuchen nach DIN-EN-ISO 9227, konnte der Einfluss eines konstanten vor der Dichtung geöffneten Spaltes auf die Korrosion ermittelt werden. Es wurden Spalthöhen, ausgehend vom Standard-Spalt durch die Originalbedingungen und 0,09; 0,15; 0,25 und 0,3 [mm] eingestellt. Es wird aufgezeigt, dass konstant geöffnete Spalten vor der Dichtung zu einer Verbesserung der Unterwanderungsbeständigkeit führen. Eine Kopplung von ungleichmäßigen Kapillaren kann so verhindert werden, um den Rücktrocknungsprozess gleichmäßig zu gestalten. Aus den Ergebnissen abgeleitet werden konnte des Weiteren ein Beitrag zu einer internen Konstruktionsrichtlinie.

Mikrofluidik gewinnt in den letzten Jahren vor allem in den Bereichen Industrie und Forschung aber auch in Privatanwendungen gerade als sogenanntes "Lab-on-a-chip"-System immer mehr an Bedeutung. Diese mikrofluidischen Systeme sollen Funktionen eines modernen Labors auf einem Mikrochip erfüllen. Dafür ist zum Beispiel das präzise Transportieren von Fluiden notwendig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fertigung einer miniaturisierten Pumpe, die den magnetohydrodynamischen Effekt nutzt, der durch die Überlagerung von induziertem Strom und Magnetfeld eine das Fluid antreibende Lorentzkraft erzeugt. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden mehrere Designkonzepte des eigentlichen Pumpenkörpers evaluiert und verglichen. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Transparenz der Pumpe für eine optische Charakterisierung, die flüssigkeitsdichte Verkapselung sowie die Kompatibilität der Materialien mit dem Arbeitsmedium gelegt. Die drei vielversprechendsten Varianten werden anhand entworfener Prozesspläne mikrotechnologisch gefertigt und evaluiert. Als Ergebnis stehen mehrere verschiedene fluidisch dicht getestete Pumpenkörper mit integrierten Elektroden zur Verfügung, die für aufbauende Forschung verwendet werden können. Mit der vorliegenden Arbeit wird durch die Evaluation und Umsetzung verschiedener technologischer Ansätze die Grundlage für den Einsatz und die Weiterentwicklung von Pumpen auf Basis des magnetohydrodynamischen Effekts in mikrotechnologischen "Lab-on-a-chip"-Systemen gelegt.

Reaktive Materialsysteme, insbesondere Al/Ni-Mehrschichtfolien, werden seit Mitte des 20. Jahrhunderts erforscht. Diese Materialsysteme können als energetische Materialien kategorisiert werden, die über die eine der Festkörperflamme ausbilden können. Unter Verwendung von Stimuli wie elektrischem Strom können sich diese Materialien entzünden und eine sich selbs ausbreitende Reaktionsfron herausbilden, die sich durch eine nahezu homogene Reaktionsfrontgeschwindigkeit und Maximaltemperatur charakterisiert ist und dabei eine große thermische Energiemengen freisetzen. Dies erlaubt sie, als kontrollierbare Wärmequelle in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft und Technik einzusetzen. Für das Materialdesign ist ein numerisches Modell auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode erforderlich, um das diffusionsgetriebene Reaktionsphänomen von Al- und Ni-Mehrschichtfilmen vorherzusagen. Ein solches Modell wurde entwickelt und angewandt, um: (i) den Einfluss der Umgebungsvariablen, der Materialeigenschaften und der Schichtdicke auf die Reaktionsfrontgeschwindigkeit und die Reaktionstemperatur reaktiver freistehender Ni- und Al-Mehrschichtfilme zu untersuchen; (ii) die Auswirkungen der Materialeigenschaften des Substrats, der Substratdicke und der Anfangstemperatur des Substrats auf die Reaktionseigenschaften und die Möglichkeit einer sich selbst ausbreitenden Reaktion oder ihrer Unterdrückung für Mehrschichtfilme auf einem Substrat; (iii) die Vorhersage der Möglichkeit einer Reaktion im sich selbst ausbreitenden Modus für Systeme, bei denen die Mehrschichtfilme zwischen zwei heterogenen Materialschichten eingeschlossen sind. Die Grundannahmen für das entwickelte Simulationsmodell waren wie folgt: (1) stöchiometrische Reaktion von Al und Ni, (2) es wird nur die NiAl-Phase existiert bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur von Aluminium herausgebildet, und (3) isotrope temperaturabhängige Materialeigenschaften. Zur Modellanpassung durch experimentelle Ergebnisse wurden diese Al/Ni-Multischichten durch Magnetron-Sputtertechnik mit einem Atomverhältnis von 1:1 hergestellt. Die Reaktionswärme der hergestellten Filme wurde durch differentielle thermische Analyse bestimmt. Die sich selbst ausbreitende Reaktion wurde durch einen elektrischen Funken auf der Oberfläche der Filme ausgelöst. Die Bewegung der Reaktionsfront wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Die Röntgenbeugungsergebnisse bestätigten, dass alle Reaktionspartner reagierten und sich eine B2-NiAl-Phase herausbildeten. Die Aktivierungsenergie der sich selbst ausbreitenden Reaktion wird an die Geschwindigkeitsdaten aus der Hochgeschwindigkeitskameramessung angepasst, um das numerische Modell zu validieren.

Die Auswirkung einer anodischen Nachbehandlung auf das Korrosionsverhalten von mikrorissigen und konventionellen-Chrom(III) Beschichtungen wurde in dieser Masterarbeit untersucht. Die Korrosionsbeständigkeit der Proben wurde durch verschiedene Methoden wie beschleunigte Salzsprühnebeltests, coulometrische Schichtdickenmessung, linearer Polarisationswiderstandstest und Impedanzspektroskopie bewertet. Die galvanisch abgeschiedenen Proben wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenanalyse (EDX) analysiert. Die Farbe der Proben wurde gemessen und verglichen, um die Auswirkungen der Nachbehandlung auf das optische Erscheinungsbild der Chromschicht zu untersuchen. Die Vickershärte der Proben wurde ebenfalls gemessen, um die Auswirkungen der anodischen Behandlung auf die Härte der Chromschicht zu untersuchen.