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Alumina thin films
(2016)
This chapter gives an overview over preparation, properties and applications of alumina thin films. The preparation of polymeric and colloidal alumina sols and their deposition on diverse substrate materials with different geometries are described first. Consideration of properties (surface tension, particle size, viscosity, aging of the sols and their optimization by using certain additives) is included, too. A description of post-treatments of the coatings, which initiate phase transformations and also determine their microstructure, completes the part on coating preparation. Data on adhesion, thickness, surface roughness and mechanical, textural as well as optical properties of alumina thin films are provided in a further paragraph. In a third main part experience concerning possible applications, such as (i) membranes for catalysis, separation and filtration, (ii) barrier layers against electrochemical and high temperature corrosion or inter-diffusion of ions between different phases, (iii) mechanical protection, (iv) sensor construction, (v) improvement of optical properties, as well as (vi) achieving water repellency is summarized.
In Kohlekraftwerken mit Oxyfuel-Technologie erfolgt die Verbrennung unter Zufuhr von reinem Sauerstoff. Damit steht für die Abscheidung und Speicherung von CO2 ein Rauchgas mit hohem CO2-Anteil zur Verfügung (CCS-Technologie). Aufgrund dieses Verbrennungsprozesses ändert sich im Wesentlichen die Rauchgaszusammensetzung hin zu hohem H2O- und SO2 -Anteil. Deshalb wurden in verschiedenen Laboratorien kommerzielle Kraftwerksstähle unter den entsprechenden korrosiven Bedingungen getestet. Im Vergleich zur herkömmlichen Verbrennungsmethode zeigten die ferritisch-martensitischen Stähle schon nach 1000 h Auslagerungszeit unter Oxyfuel-Bedingungen eine durch einen deutlich erhöhten Materialverlust gekennzeichnete Korrosion. Eine Möglichkeit um dennoch die Lebensdauer dieser Stähle zu gewährleisten, besteht im Aufbringen geeigneter Schutzschichten auf die Stahloberfläche. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Bewertung von Sol-Gel-Aluminiumoxidschichten als Schutz vor Korrosion in Oxyfuel-Rauchgas-Atmosphäre. Diese wurden auf den warmfesten Stahl X20CrMoV12-1 (X20) mittels der Tauchmethode aufgebracht. Anschließend erfolgte eine Auslagerung der beschichteten Proben für 1000 h bei 600 °C in einer H2O-CO2-O2-SO2 -Atmosphäre.
Im Vergleich zum unbeschichteten Stahl X20 war der Materialverlust des beschichteten Stahls deutlich geringer. Insbesondere konnte durch die Aluminiumoxidschicht der Transport von CO2 und SO2 zur Stahloberfläche verhindert werden.
In Kohlekraftwerken mit Oxyfuel-Technologie erfolgt die Verbrennung unter Zufuhr von reinem Sauerstoff. Damit steht für die Abscheidung und Speicherung von CO2 ein Rauchgas mit hohem CO2-Anteil zur Verfügung (CCS-Technologie). Aufgrund dieses Verbrennungsprozesses ändert sich im Wesentlichen die Rauchgaszusammensetzung hin zu hohem H2O- und SO2 -Anteil. Deshalb wurden in verschiedenen Laboratorien kommerzielle Kraftwerksstähle unter den entsprechenden korrosiven Bedingungen getestet. Im Vergleich zur herkömmlichen Verbrennungsmethode zeigten die ferritisch-martensitischen Stähle schon nach 1000 h Auslagerungszeit unter Oxyfuel-Bedingungen eine durch einen deutlich erhöhten Materialverlust gekennzeichnete Korrosion. Eine Möglichkeit um dennoch die Lebensdauer dieser Stähle zu gewährleisten, besteht im Aufbringen geeigneter Schutzschichten auf die Stahloberfläche. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Bewertung von Sol-Gel-Aluminiumoxidschichten als Schutz vor Korrosion in Oxyfuel-Rauchgas-Atmosphäre. Diese wurden auf den warmfesten Stahl X20CrMoV12-1 (X20) mittels der Tauchmethode aufgebracht. Anschließend erfolgte eine Auslagerung der beschichteten Proben für 1000 h bei 600 °C in einer H2O-CO2-O2-SO2 -Atmosphäre.
Im Vergleich zum unbeschichteten Stahl X20 war der Materialverlust des beschichteten Stahls deutlich geringer. Insbesondere konnte durch die Aluminiumoxidschicht der Transport von CO2 und SO2 zur Stahloberfläche verhindert werden.
In order to reduce CO2 emissions fossil fuelled power stations with high combustion efficiency are being developed. The increase of the operating temperature, a common way to improve combustion efficiency, leads to enhanced corrosion of heat exchange steel tubes in the power plants. Within the framework of the European project “Production of Coatings for New Efficient and Clean Coal Power Plant Materials” (POEMA)", high temperature corrosion protection coatings are now under investigation.
Thin porous sol-gel alumina films are promising candidate coating materials. Coatings were prepared by applying boehmite sols on grinded steel P92 and subsequent heat treatments at temperatures up to 650 °C. Thus a porous layer of worm-like particles was formed consisting of nano-crystallites and amorphous alumina. A dense interface with satisfying adhesion resulted from diffusion of chromium and iron ions out of the steel into the porous coating. However, the film locally exhibited some cracks caused by steep edges in the grinded steel surface. An appropriate substrate pretreatment should avoid this problem.
The protection of the steel relies on the barrier function of the alumina coating and the formation of a dense chromia layer at the steel surface.
Bulk elastic properties, hardness and fatigue of calcium aluminosilicate (CAS) glasses in the technically relevant region of the ternary with intermediate-silica fraction were determined by combining results of Vickers indentation, ultrasonic echography and Archimedian buoyancy at room temperature. Of three studied compositional series, the first series was along the meta-aluminous join, while in the two other series the molar fraction of SiO2 was kept constant. For the first series the elastic moduli and hardness show an almost linear increase with increasing SiO2 fraction. In contrast, increasing the CaO/SiO2 ratio at constant silica content results in a characteristic change when passing the meta-aluminous join. Elastic constants and hardness were lower at the percalcic than on the peraluminous side. Empirical models which relate bulk elastic moduli to internal energy, short-range inter-atomic forces and the packing density of their oxide constituents were found to be in agreement with the experimental data for meta-aluminous glasses, while deviations between the observed and predicted trends were evident for percalcic compositions. Empirical fatigue parameters such as the probability to initiate cracks after indentation reflect the bulk mechanical properties in the CAS system when conducted in inert atmosphere, but are otherwise clearly dominated by environmental effects