5 Werkstofftechnik
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The sliding behavior of an amorphous silica sample between two rigid surfaces is in the focus of the present paper. Molecular Dynamics using a classical Tersoff’s potential and a recently developed ReaxFF potential was applied for simulating sliding within a thin film corresponding to a tribofilm formed from silica nanoparticles. The simulations were performed at different temperatures corresponding to moderate and severe tribological stressing conditions. Simulations with both potentials revealed the need of considering different temperatures in order to obtain a sound interpretation of experimental findings. The results show the striking differences between the two potentials not only in terms of magnitude of the resistance stress (about one order of magnitude) but also in terms of friction mechanisms. The expected smooth sliding regime under high temperature conditions was predicted by both simulations, although with Tersoff’s potential smooth sliding was obtained only at the highest temperature. On the other hand, at room temperature Tersoff-style calculations demonstrate stick-slip behavior, which corresponds qualitatively with our experimental findings. Nevertheless, comparison with a macroscopic coefficient of friction is not possible because simulated resistance stresses do not depend on the applied normal pressure.
In this work, the focus was set on the corrosion process of condensate as drops on the surface of carbon steels (X52, X70), martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS 08031 in CO2 atmosphere with impurities at 278 K (to simulate the transportation condition in a buried pipeline). Exposure tests were performed at both normal pressure and high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The drop, 1 ‑ 10 µL in volume, was prepared by dropping CO2 saturated ultra-pure water onto the surface of steel coupons in a one-liter-autoclave. The CO2 gas stream, simulating the oxyfuel flue gas with varying concentration of impurities (SO2 and O2), was then pumped into the autoclave to observe the condensation and corrosion impacts of impurities. Comparable exposure tests were carried out with the same gas mixture and the same volume of water as vapor to observe the drop formation and the corrosion process that follows. The wettability and stability of drops on the surface of steel coupons in CO2 supercritical/dense phase environment was evaluated additionally by contact angle measurement.
In this work, the focus was set on the corrosion process of condensate as drops on the surface of carbon steels (X52, X70), martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS N08031 in CO2 atmosphere with impurities at 278 K (to simulate the transportation condition in a buried pipeline). Exposure tests were performed at both normal pressure and high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The drop, 1 ‑ 10 μL in volume, was prepared by dropping CO2 saturated ultra-pure water onto the surface of steel coupons in a one-liter-autoclave. The CO2 gas stream, simulating the oxyfuel flue gas with varying concentration of impurities (SO2 and O2 ), was then pumped into the autoclave to observe the condensation and corrosion impacts of impurities. Comparable exposure tests were carried out with the same gas mixture and the same volume of water as vapor to observe the drop formation and the corrosion process that follows. The wettability and stability of drops on the surface of steel coupons in CO2 supercritical/dense phase environment was evaluated additionally by contact angle measurement.
In den Umweltmedien Wasser, Boden und Luft wird Mikroplastik (MP) gefunden. Mögliche Eintragspfade, besonders Einträge über den Klarlauf kommunaler Klärwerke, sind unklar. Dazu wurde das Klärwerk Ruhleben in Berlin an jeweils vier Tagen im Sommer- und Winterbetrieb beprobt. Es wurde jeweils 1 m3 Klarlauf fraktioniert filtriert (500, 100 und 50 µm Siebe). Weiterhin wurde Rohabwasser exemplarisch untersucht. Als Analyse-methoden wurden die TED-GC-MS und die FTIR Mikroskopie verwendet.
Bei der TED-GC-MS wird die Probe zunächst thermisch extrahiert, bevor die charakteristischen Zersetzungsgase mittels einer GC-Säule getrennt und im MS detektiert werden [1,2]. Es ist hier erstmals gelungen, nicht nur das MP zu identi-fizieren, sondern auch eine Massenbilanz zu erstellen und so eine quantitative Auswertung vorzunehmen. Es wurde PE, PS ganzjährig und PP im Sommer gefunden. Das Klärwerk Ruhleben hat einen Rückhalt an MP von 99%.
Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können.
Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt.
Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt.
NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen.
Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt.
In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen:
1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein).
2. Identifikation der Polymere in der Probe.
Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt.
Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.
Les aubes de turbines à gaz utilisées en particulier pour les turboréacteurs de l’aéronautique sont élaborées par fonderie en superalliage monocristallin à base de nickel. Le procédé de fonderie, ainsi que les traitements thermique d’homogénéisation réalisés à très haute température, induisent la présence de pores au sein des pièces qui affectent les propriétés mécaniques et la durée de vie des aubes. Afin de réduire cette porosité les motoristes effectuent un traitement de compression isostatique à chaud (CIC) au cours duquel la porosité diminue par fermeture des pores. Afin de mieux comprendre les mécanismes impliqués au cours du traitement de CIC, nous avons lancé un programme de recherche dans le cadre du projet ERA-Net MICROPORE. La modélisation par champ de phase des mécanismes en jeu est présentée au cours de ce colloque. Nous présentons dans cette affiche un des volets de la caractérisation expérimentale du projet.
Des échantillons de superalliage CMSX4 sont observés après traitement de mise en solution et CIC sous 103 MPa à 1288°C pour différentes durées. Les pores présents sont caractérisés par microscopie électronique à balayage (MEB) afin de suivre l’évolution du taux de porosité au cours du traitement. Une caractérisation plus détaillée de pores partiellement refermés est menée par MEB et grâce à la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Une vision tridimensionnelle de ces défauts est obtenue par des coupes métallographiques effectuées par découpe ionique (FIB).
Le projet ERA – Net MICROPORE est financé en Allemagne par la DFG (projects EP 136/1-1 and FE933/2-1) et en France par l’ANR (projects ANR15-MERA-000-03 and ANR15-MERA-0003-04).
Lowering the sintering temperature of calcium manganate CaMnO3 for thermoelectric applications
(2018)
Thermoelectric materials can convert waste heat directly into electrical power by utilizing the Seebeck effect. Calcium cobaltite (p-type) and calcium manganate (n-type) are two of the most promising oxide thermoelectric materials. The development of cost-effective multilayer thermoelectric generators requires the co-firing of these materials and therefore the adjustment of sintering temperatures. Calcium manganate is conventionally sintered between 1200 °C and 1350 °C. Calcium cobaltite exhibits an undesired phase transition at 926 °C but can be sintered to high relative density of 95 % at 900 °C under axial pressure of 7.5 MPa. Hence, co-firing at 900 °C would be favourable. Therefore, strategies for lowering the sintering temperature of calcium manganate have been investigated. Basically, two approaches are common: i) addition of low melting additives like Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2 (BBSZ) glass or Bi2O3, and ii) addition of additives that form low-melting eutectics with the base material, for example CuO. In this study, several low melting additives including BBSZ glass and Bi2O3, as well as CuO were tested regarding their effect on calcium manganate densification. Bi2O3 did not improve the densification, whereas BBSZ glass led to 10 % higher relative density at 1200 °C. An addition of 4 wt% CuO decreases the temperature of maximum sinter rate from above 1200 °C to 1040 °C. By reducing the particle size of the raw materials from 2 μm to 0.7 μm the maximum sinter rate could be further shifted 20 K towards lower temperatures and the sinter begin decreased from 920 °C to 740 °C. It is shown that eutectic phase formation is more effective in lowering sintering temperature and accelerating densification than low-melting additives.
This work examined the droplet corrosion of CO2 pipeline steels caused by impurities in CO2 supercritical/dense phase at 278 K, simulating the underground transport condition. The wetting properties of carbon steels (X52 and X70) as well as martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS N08031 were studied by contact angle measurement, revealing reactive wetting behavior of carbon steels. Exposure tests with CO2 saturated water droplet on steel surface showed that the impurities (220 ppmv SO2 and 6700 ppmv O2) diffused into the droplet and then reacted with metal coupons in supercritical/dense phase condition, forming the corrosion product instantly during pumping process. Due to the active wetting behavior, the carbon steels suffered from heavily attack, while negligible corrosion product was observed in cases of martensitic steel UNS S41500 and superaustenite UNS 08031 coupons. Condensation experiments that were carried out on fresh polished coupons in CO2 with 1200 ppmv H2O showed that the formation and aggregation of droplet is dependent on the presence of impurities. Without SO2 and O2, the same concentration of H2O did not cause observable corrosion process after a week of exposure. With 220 ppmv SO2 and 6700 ppmv O2 even low water concentration (5-30 ppmv) still resulted in heterogeneous nucleation and subsequent growth of droplets, leading to corrosive process on carbon steel surface albeit to a lesser extent.
In this work, the focus was set on the corrosion process of condensate as drops on the surface of carbon steels (X52, X70), martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS 08031 in CO2 atmosphere with impurities at 278 K (to simulate the transportation condition in a buried pipeline). Exposure tests were performed at both normal pressure and high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The drop, 1 ‑ 10 µL in volume, was prepared by dropping CO2 saturated ultra-pure water onto the surface of steel coupons in a one-liter-autoclave. The CO2 gas stream, simulating the oxyfuel flue gas with varying concentration of impurities (SO2 and O2), was then pumped into the autoclave to observe the condensation and corrosion impacts of impurities. Comparable exposure tests were carried out with the same gas mixture and the same volume of water as vapor to observe the drop formation and the corrosion process that follows. The wettability and stability of drops on the surface of steel coupons in CO2 supercritical/dense phase environment was evaluated additionally by contact angle measurement.
Today, more than 12% of the primary energy is lost in the form of waste heat. Thermoelectric generators (TEGs) can convert waste heat directly into electrical power by utilizing the Seebeck effect. The performance of such a generator is defined by a dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric pairs and the resistance R of the metallic contacts between these pairs. The figure of merit of thermoelectric oxides is considerably smaller compared to semiconductors. Still, thermoelectric oxides like calcium cobaltite (Ca3Co4O9) are attractive for applications at elevated temperatures in air. In contrast to the established π-type architecture of common TEGs, tape casting and multilayer technology may be applied for cost-effective manufacturing of oxide TEGs. Promising demonstrations of multilayer TEGs have been published in the last years. Still, the development of reliable and scalable manufacturing processes and proper material combinations is necessary. The aim of our project is to evaluate the feasibility of low temperature co-fired ceramics (LTCC) technology for a practical manufacturing of oxide multilayer TEGs of Ca3Co4O9 (p-type) and calcium manganate (CaMnO3, n-type). Ca3Co4O9 exhibits an undesired phase decomposition at 926 °C. Because of that, the application of sintering strategies and interconnect concepts well known from LTCC technology is a promising approach. We present results of pressure-assisted sintering of Ca3Co4O9 multilayer at 900 °C and axial pressures of up to 7.5 MPa. Ca3Co4O9 was produced by solid state reaction of CaCO3 and cobalt(II,III)oxide at 900 °C. Green tapes were prepared by a doctor-blade process, manually stacked and laminated by uniaxial thermocompression. Sintering was conducted in a LTCC sintering press between SiC setter plates. The thickness shrinkage was recorded by an in-situ technique. After sintering under 7.5 MPa, the microstructure of the single phase material shows a high density of 95 % and an advantageous alignment of the platelet grains. This results in good electrical conductivity and a comparatively high ZT of 0.018 at room temperature. However, the lowering of CaMnO3 sintering temperature from above 1200 °C to below 920 °C remains a challenge. To select a proper metal paste for interconnections of an oxide TEG, several pastes have been investigated regarding contact resistance of internal and external (soldered) connections in a preliminary study. Commercial pastes containing Ag, Au, Au/Pt, Ag/Pd, and Ag/Pd/Bi were manually applied and post-fired on sintered test bars of Ca3Co4O9 and CaMnO3 at 900 °C for 2 h. All tested pastes formed mechanically stable metallization after firing. For resistance measurement, 4-wire method and a custom-made probe head were used. The contacts on Ca3Co4O9 exhibit significantly (2-sample t-test, α = 5%) higher resistance compared to contacts on CaMnO3. Pure silver paste exhibits the lowest resistance for internal contacts on both materials, lower than 5 mΩ on CaMnO3. Ag/Pd/Bi paste resulted in conspicuously high variance of resistance. EDX analyses clarified an enrichment of Bi in the thermoelectric material near the interface and thereby the formation of an oxide layer with probably high electrical resistance. The thickness of that layer varies with the thickness of metallization. In conclusion, the use of Bi containing pastes is not advisable. Pure Ag paste shows the best results regarding resistance and solderability.