Untersuchung von Festkörperreibung unter mechanischen Vibrationen und Anwendung zum Entwurf von mobilen, miniaturisierten Robotern. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Ziel dieser Masterarbeit sind die Beschreibung und experimentelle Untersuchung von Reibungsminderung unter Einfluss von Vibration und die Umsetzung dieser in einem mobilen Roboter. Die Vibration wird dabei durch einen piezoelektrischen Schallwandler zwischen den Reibungspartnern realisiert. Dazu wurden zunächst die Beschreibung und Gegenüberstellung etablierter Reibungsmodelle durchgeführt. Anhand der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden Reibungsmodelle mittels Matlab/Simulink numerisch untersucht und mit Ergebnissen der Literatur verglichen. Im experimentellen Teil wurde zunächst ein Vorversuch, der die prinzipielle Wirkungsweise der vibrationsinduzierten Reibungsreduzierung verdeutlicht, durchgeführt. Anschließend wurde die Reibungsminderung in Abhängigkeit von verschiedenen Frequenzen und Relativgeschwindigkeiten anhand mehrerer Prüfkörper untersucht. Es konnte reproduzierbar eine Reibungsminderung bei drei Zugproben festgestellt werden. Anschließend wurde die Geschwindigkeitsabhängigkeit untersucht und bei steigender Frequenz eine steigende Abhängigkeit nachgewiesen. Die Natur der Schwingung des piezoelektrischen Schallwandlers erforderte, dass das mechanische Prinzip der Simulation auf die Experimente angepasst werden musste. Im Anschluss wurde überprüft, ob die angepasste Simulation das Verhalten der frequenzabhängigen Reibungsänderung darstellen kann. Das präsentierte Modell ist in Grenzen dazu in der Lage und bildet eine erste Möglichkeit, die Reibungsveränderung durch die flächige Vibration des Schallwandlers abzubilden. Mit Hilfe der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurde ein mobiler Roboter entworfen, der nach dem Prinzip einer durch gesteuerte Vibration erzeugter, anisotroper Reibung funktioniert. Die Funktionsweise des Roboters wurde experimentell geprüft und die Form der Bewegung wurde dargestellt.
Optische Untersuchung von Kraterauswurf nach hyperschnellen Einschlägen. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die Laser-Light-Sheet-Technik ist ein Verfahren, um Partikel innerhalb einer Schnittebene eines Volumens zu beobachten. Diese Technik wurde eingesetzt, um den Kraterauswurf nach Hypervelocity-Impakten in Marmor zu untersuchen. Die Flugbahnen der Partikel wurden erfasst, ausgewertet und die Ergebnisse mit Modellvorstellungen, Skalengesetzen und Literatur verglichen. Anhand der Ergebnisse und des Vergleichs wurde die Eignung der Technik und eingesetzten Auswertemethodik zur Untersuchung von Hypervelocity-Impakten festgestellt.
Zusammenhang zwischen der Struktur und dem Erosionsverhalten der mittels Arc-PVD-Verfahren hergestellten Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das Schützen von Turbinenschaufeln vor dem Verschleiß ist heutzutage von großer Bedeutung. Werden Turbinenschaufeln durch Festkörperpartikel erodiert, dann wird deren Wirkungsrad sowie Standzeit verringern. Diese Partikel, die zum Verschleiß von Oberflächen der Turbinenschaufeln führen, treffen auf sie mit flachem sowie senkrechtem Winkel. Für einen effizienten Schutz ist es bedeutend, Turbinenschaufeln mit Schichten zu versehen, welche einen bedeutsamen Schutz sowohl beim flachen als auch senkrechten Winkel bieten. Die Cr2AlC-MAX-Phase ist ein Materialsystem, welches diese Voraussetzung erfüllt. Das Ziel dieser Arbeit war die Optimierung vom Arc-PVD-Verfahren zur prozesssicheren Herstellung von Cr2AlC-MAX-Phasen-Sichten sowie die Herstellung von Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten. Sie kommen als leitfähige Verschleißschutzschichten in Gasturbinen zum Einsatz. Als Substrate wurden Incoel 718, welche Grundmaterialien von Gasturbinen sind, verwendet. Die Herstellung dieser MAX-Phasen-Schichten wird durch die Prozessparameter wie die Substrattemperatur, Probenhöhe, BIAS-Spannung und das Prozessgas beeinflusst. Zum Bestimmen des Einflusses der Prozessparameter auf die Schichtbildung waren Proben unter Variation der gennannten Prozessparameter herzustellen. Aufgrund dieses Einflusses der Prozessparameter auf die Schichtbildung ist die Abscheidung von reinphasigen Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten ist schwierig. Darüber hinaus kommt es bei der Abscheidung dieser MAX-Phasen-Schichten auf Inconel 718 zur Diffusion von Aluminiumteilchen ins Inconel 718, was zur Verarmung der Schicht an Aluminium führt. Es verursacht somit die Bildung von Fremdphasen in der Schicht. Durch den Einsatz eine Diffusionsbarriere wird die Diffusion verhindert. Je nach Anteil von Fremdphasen in der Schichten lässt sich die Erosionseigenschaft der Schicht verschlechtern. In dieser Arbeit sollte durch die XRD- und Erosionsmessung den Zusammenhang zwischen der Struktur und dem Erosionsverhalten der Cr2AlC-MAX-Phasen-Sichten bestimmt werden. Glaskugeln wurden als Erosionsmittel verwendet.
Modellierung der Ausbreitung von Funkwellen im Innenbereich von Gebäuden. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein einfaches Modell zu erstellen, welches die Ausbreitung von Funkwellen im Innenbereich eines Gebäudes berechnet. Es wurde sich in dieser Arbeit zum einen auf die Ausbreitung in einem Raum mit beliebig geformter Geometrie und zum anderen auf einen viereckigen Raum mit einem Hindernis konzentriert. Für die Beschreibung der Wellenausbreitung wurde der strahlenoptische Ansatz verwendet. Dieser Ansatz besagt, dass Lichtwellen durch die Gesetze aus der Geometrischen Optik beschrieben werden können. In dieser Arbeit wird untersucht ob der verwendete Ansatz auch auf die Beschreibung von Funkwellen anwendbar ist. Dieser Ansatz ermöglicht eine gute Darstellung desWellenspektrums aller einfallenden Wellen am Ort des Empfängers sowie die Darstellung der zurückgelegtenWege aller Teilwellen. Es erfolgte eine Kombination des strahlenoptischen Ansatzes mit der Uniform Theory of Diffraction (UTD), um auch Beugungen an Hindernissen untersuchen zu können. Das Simulationsmodell wurde auf ein Real Time Location System (RTLS) angepasst, welches eine Lokalisierung von Personen oder Objekten im Innenbereich von Gebäuden mit einer Präzision von 10 cm ermöglicht. Dies geschieht mittels der Messung von Laufzeitunterschieden ausgesendeter Wellen im Ultra-Breitband (UWB) Bereich. In dieser Arbeit wurde ein Vergleich der Ergebnisse der Simulation mit denen aus einer Messung mit dem Real-Time-Location-System angestellt.
Entwicklung eines strahlungsfesten relativen Feuchtesensors für das ATLAS-Projekt. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und der Aufbau von strahlungsfesten relativen Feuchtesensoren, die später im ATLAS-Detektor des LHC eingesetzt werden sollen. Die Sensoren sollen unter Einfluss hoher Dosen ionisierender Strahlung einsatzfähig sein. Es ist notwendig die Sensoren aufgrund der thermischen Ankopplung an Baugruppen, die stark gekühlt werden, vor Fehlfunktion oder gar Zerstörung durch Betauung zu schützen. Mit dieser Neuentwicklung sollen relative Feuchtigkeitsmessungen zur Bestimmung des Taupunkts während dem Betrieb von Beschleunigeranlagen in der Hochenergiephysik durchgeführt werden. Anwendungsbereiche stellen hierbei die physikalische Grundlagenforschung und Bereiche der Medizintechnik dar. Dazu werden zunächst zwei verschiedene Beschichtungsmethoden mit Sol-Gelen angewendet. Anschließend werden die Sensoren durch die Messmethode der Impedanzspektroskopie analysiert und mittels eines Fit-Programms charakterisiert. Des Weiteren werden die Eigenschaften des elektrischen Feldes durch eine FEM-Simulation verifiziert.
Oberflächenanalytische Untersuchung an (111) und (100) orientierten Halbleiteroberflächen. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Wohldefinierte Substratoberflächen sind für das weitere, defektfreie, heteroepitaktische Wachstum von III-V-Halbleitern unabdingbar. In dieser Masterarbeit wurde die atomare Struktur von GaP- und Si-Oberflächen, die mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (engl. MOVPE) präpariert wurden, mithilfe eines Rastertunnelmikroskops (engl. STM) untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung und Auswertung der Oberflächenstruktur von vier verschiedenen Probenarten: GaP(111), GaP(100), Si(100) und Si(111). Neben den STM-Messungen wurden die Proben auch durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (engl. XPS) zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung an der Probenoberfläche und durch Beugung niederenergetischer Elektronen (engl. LEED) zur Bestimmung der Oberflächenrekonstruktion analysiert. Für diese Messungen wurden die Proben von der MOVPE-Anlage kontaminationsfrei ins Ultrahochvakuum transferiert. Die MOVPE-Prozesse wurden mittels Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie in situ überwacht. Die hier erstmals untersuchte MOVPE-präparierte GaP(111)B Oberfläche zeigt eine Struktur ohne einheitliche Rekonstruktion, aber lokale c(2×4), (2×2) und (&worte;3×&worte;3)R30˚Ordnung. Die XPS-Messung zeigte, dass bei dieser Präparation der Galliumanteil an der Oberfläche größer war als der von Phosphor. STM- und LEED-Untersuchungen an der Ga-reichen GaP(100) Oberfläche ergaben die bekannte Mixed-Dimer (2×4)-Rekonstruktion. STM-Messungen an einer Si(100) Oberfläche mit 6˚ Fehlorientierung in <011> Richtung ergaben eine (2×1)/(1×2)-Rekonstruktion mit (2×1) Vorzugsdomäne, die auch durch LEED-Messungen bestätigt wurde. Die XPS-Messung dieser Probe zeigte eine kontaminationsfreie Si-Oberfläche. Dagegen konnte eine nur unter Schutzgas transferierte Si(111) Probe im STM nicht atomar aufgelöst abgebildet werden; es wurden aber dennoch Doppellagenstufen nachgewiesen; XPS-Messung an dieser Probe zeigte Kontamination durch Sauerstoff und Kohlenstoff.
Thermische Simulation von Leistungswiderständen. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der thermischen Simulation von Leistungswiderständen und der experimentellen und analytischen Ermittlung ihrer Modellparameter. Zur Auswahl stehen zwei Modellvorstellungen, welche von der Modellbildung bis hin zur Simulationstechnik erklärt werden. Hinsichtlich der Wärmeleitung wird das elektrisch thermische Analogon anhand von einfachen mathematischen Betrachtungsweisen bewiesen. Die Gegenüberstellung einer Beispielsimulation des selbst geschriebenen Programms mit dem des Netzwerksimulators LTspice belegt dies zusätzlich. Ferner werden sämtliche praxisnahe Grundlagen des Wärmetransports vorgestellt. Um eine Simulation von Leistungswiderständen effektiv zu gestalten, bietet die Programmierung mit AWK die Freiheit, alle Wärmeübergänge mit Energiebilanzgleichungen umzusetzen. Die Widerstände werden für die zwei Anwendungsfälle Puls- und Nennlast simuliert. Es ist vorgesehen, mit diesen Simulatoren ein ausreichend genaues thermisches Management zu betreiben.
Numerische Rechnungen zur metastabilen induzierten Elektronenspektroskopie (MIES) an Benzen. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die vorliegende Bachelorarbeit zeigt, dass die Übergangsraten der Auger-Abregung durch Ab-initio-Rechnungen bestimmt werden können. Mithilfe vereinfachender Annahmen kann die Rechnung unter Einsatz gängiger Methoden und Softwarepakete erfolgen. Das entwickelte Matlab-Programm erlaubt unter Verwendung der von Gaussian berechneten Wellenfunktionen eine schnelle Kalkulation der Übergangsrate nach Kantorovich et al. für beliebige Moleküle. Für die Bestimmung der Molekülorbitale können sowohl die Dichtefunktionaltheorie als auch die Hartree-Fock-Methode verwendet werden. Beide Methoden weisen nur geringe Unterschiede bei den berechneten Übergangsraten auf. Allerdings weichen die Energieeigenwerte des Benzens bei beiden Methoden von den experimentellen Werten ab. Jedoch ist die Hartree-Fock-Methode aufgrund der besseren Abschätzung der Energien und der direkten Anwendbarkeit des Koopmans-Theorems zu bevorzugen. Ein qualitativer Vergleich der berechneten Übergangsraten mit den experimentellen Daten am Beispiel des Benzens zeigt, dass die berechneten Übergangsraten tendenziell die Intensitätsverhältnisse in einem MIES-Spektrum wiedergeben können. Es werden dabei auch einige Schwächen der Theorie deutlich. Diesbezüglich ist die Näherung nach Kantorovich et al. zu überdenken, welche die Impulsabhängigkeit der Übergangsmatrix vernachlässigt. Zum anderen wird die räumliche Verteilung und die möglichen Flugbahnen des metastabilen Heliums nicht weiter betrachtet.
Entwicklung und Charakterisierung eines mikrofluidischen Chips zur akustophoretischen Sortierung. - Ilmenau. - 38 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die Aufgabe dieser Arbeit war es, die aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnisse der Akustofluidik zu nutzen und die Technik der Akustophorese in der AG Mikrofluidik des IPHT Jena und dem FG Mikroreaktionstechnik der TU Ilmenau einzufuhren. Die Akustophorese soll dabei zur Sortierung von Mikropartikeln dienen. Hierzu wurden zwei selbsterarbeitete Chipdesigns umgesetzt und charakterisiert. Es konnte erfolgreich an Polystyrol-Partikeln die Funktionalität der Chips erprobt werden.
Streuung des Shockley-Oberflächenzustandes von Cu(111) an Cu- und Fe-Adatomen. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In dieser Arbeit wurde mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops die Streuung von Shockley-Oberflächenzustandselektronen auf der Cu(111)-Oberfläche an unterschiedlichen Adatomen untersucht. Dafür wurden die Ladungsdichteoszillationen um einzelne Kupfer- und Eisenadatomen vermessen. Aus den Wellenvektoren lässt sich die Dispersionsrelation berechnen und aus der Verschiebung der Maxima kann die Streuphase bestimmt werden. Der Vergleich der Adatome ergab folgende Ergebnisse: Zum Einem ist die Streuphase und damit die Transmission für Punktstreuer energieabhängig, zum Anderen besitzen Kupfer-Adatome ein geringeres Streupotential als Eisen-Adatome. Die Dispersion des Oberflächenzustandes von Cu(111) ergab ebenfalls nennenswerte Auffälligkeiten. Unterhalb des Kreuzungspunktes von den Oberflächen- und Volumenzuständen in der oberflächenprojizierten Bandstruktur von Cu(111) verläuft die Dispersion der Streuwellen parabelförmig. Bei Wellenvektoren oberhalb des Schnittpunktes weichen die Werte stark von einer Parabel ab. Für diesen Fall wird das Modell eines gestörten Zweiniveausystems vorgeschlagen, welches zu einer vermiedenen Kreuzung am Übergang von Oberflächenzuständen zu Volumenzuständen führt. Sowohl der Vergleich der Streuung von unterschiedlichen Adatomen, als auch die genaue Untersuchung am Übergang zwischen Oberflächen- und Volumenzuständen rechtfertigen zukünftig weitere Untersuchungen.