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Eingeladener Vortrag
- nein (37)
In this investigation, synchrotron X-ray imaging was used to investigate the water distribution inside newly developed gas diffusion media in polymer electrolyte membrane fuel cells. In-situ radiography was used to reveal the relationship between the structure of the microporous layer (MPL) and the water flow in a newly developed MPL equipped with randomly arranged holes. A strong influence of these holes on the overall water transport was found. This contribution provides a brief overview to some of our recent activities on this research field.
A promising technology in photovoltaics is based on micro-concentrator solar cells, where the photovoltaic active area is realized as an array of sub-millimeter sized cells onto which the incident light is focused via microlenses. This approach allows to increase the cell efficiency and to realize much more compact modules compared to macroscopic concentrator devices. At the same time, expensive raw materials can be saved, which is of interest, for example, with respect to indium in the case of copper-indium-gallium-diselenide (CIGSe) thin film solar cells. Two methods to produce micro-sized precursors of CIGSe absorbers on molybdenum are presented using 30-fs laser pulses at 790 nm wavelength. On the one hand, a multi pulse surface structuring of the molybdenum film or the underlying glass substrate and a subsequent physical vapor deposition were used for a site-selective aggregation of indium droplets. On the other hand, a single pulse laser-induced forward transfer was utilized to selectively deposit combined copper-indium precursor pixels on the molybdenum back contact of the solar cell. Post-processing (selenization, isolation, contacting) of the laser-generated micro-sized precursors results in functional CIGSe solar cells.
Single-pulse femtosecond laser-induced forward transfer (LIFT, 30 fs, 790 nm) is used to deposit micron-sized dots of copper and/or indium onto a molybdenum layer on glass. Such systems can serve as precursors for the bottom-up manufacturing of micro-concentrator solar cells based on copper-indium-gallium-diselenide. The influence of the thickness of the copper, indium and combined copper-indium donor layers on the quality of the transferred dots was qualified by scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray analysis, and optical microscopy. The potential for manufacturing of a spatial arrangement adapted to the geometry of micro-lens arrays needed for micro-concentrator solar cells is demonstrated.
Im Vortrag werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Reparaturbeschichtungen in Offshore-Bereich ausgelotet.
Vorstellung der Korrosionsuntersuchungen im Rahmen des Themenfeldprojektes LeBeWind an der BAM
(2017)
Im Vortrag wird das Teilprojekt Korrosion des Themenfeldprojektes LeBeWind vorgestellt. Dabei werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Reparaturbeschichtungen in Offshore-Bereich hinterfragt. Zusätzlich werden die Problemstellungen bei der Versalzung von metallischen Oberflächen im maritimen und Offshore-Bereich betrachtet.
Existing standards for the approval of composite cylinders for the transport of compressed hydrogen are currently based on deterministic (ISO 11119-3) and semi-probabilistic (UN GTR No. 13) criteria. This paper analysis the capabilities of these procedures with respect to the evaluation of burst strength. Their characteristics are compared with the probabilistic approach developed at BAM. Based on Monte-Carlo simulations the available design range (mean value and scatter of burst strength) of all concepts are assessed. In addition, the probability of acceptance for potentially unsafe design types is determined.
The results show large areas of burst properties with a sufficient reliability which cannot be used for the design of composite cylinders, due to current approval criteria. On the other hand, existing standards allow the approval of potentially unsafe designs in case of a very high scatter regarding their burst strength.
It is also shown that existing design types are already designed to the limits of the available design area. A further weight and cost reduction of composite cylinders is therefore closely related to the approval criteria. An example based on UN GTR No. 13 shows how an approval criterion can be optimized by using statistical methods. The example shows that a reduced minimum burst pressure can be combined with a lower probability of acceptance for potentially unsafe design types.
ln den letzten Jahren wurden diverse Prüfverfahren und Methoden entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von Beton bzw. Bindemittel hinsichtlich des Widerstands gegenüber betonaggressiven Einwirkungen beurteilen zu können. Ein wesentliches Ziel von Prüfverfahren zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Baustoffen ist, die im Laufe der Nutzungsdauer zu erwartenden Einwirkungen auf den Baustoff realitätsnah abzubilden. Dazu sind die Prüfparameter auf die im jeweiligen Anwendungsbereich vorherrschenden Umgebungs- und Randbedingungen anzupassen. Daneben sind auch die Bewertungskriterien individuell unter Berücksichtigung der im Einzelfall geforderten Nutzungsdauer eines Bauwerks festzulegen. Eine systematische Zuordnung von adäquaten Prüfverfahren bzw. Prüfparametem und Bewertungskriterien für die verschiedenen Anwendungsbereiche im Betonbau, in denen betonaggressive Einwirkungen auftreten, ist mit Ausnahme von Einzelfällen bislang nicht vorhanden. Daneben stellt sich in der Praxis immer wieder das Problem, das Angriffspotenzial der Umgebung eines Bauwerks (prüftechnisch) zu erfassen und zu bewerten.
Der Hauptausschuss Baustofftechnik des DBV hat daher den Arbeitskreis „Chemischer Angriff auf Beton“ beauftragt, dieses Merkblatt zu erarbeiten, das auf Basis von einschlägigen Erfahrungen der Baupraxis und wissenschaftlichen Erkenntnissen Grundsätze und bewährte Methoden zur Beurteilung der Einwirkungs- und Widerstandsseite beim chemischen Angriff auf Beton aufzeigt und diesbezüglich Hinweise für verschiedene Anwendungsbereiche im Betonbau liefert.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wird in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen (CFK) am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen.
Ein Schwerpunkt in diesem Projekt ist die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei geht es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch. In diesem Vortrag werden Prüfsysteme und Prüfergebnisse der „konventionellen“ Wirbelstromprüfung vorgestellt. In einem ersten Schritt wurden Versuche an bereits geschädigten Druckgefäßen durchgeführt. Dabei wurden Druckgefäße mit den Materialpaarungen Stahl-CFK, Aluminium-CFK und Kunststoff-CFK untersucht. Die Dicken der CFK-Schichten reichten hierbei von ca. 4 mm bis ca. 8 mm. Anfangs wurden die Gefäße mit verschiedenen Sensoren von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. In einem zweiten Schritt wurden die Gefäße von innen geprüft. Hierbei bestand die besondere Herausforderung in der Prüfung eines Zylinders von 150 mm Durchmesser durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser.
Mit den bei diesen Vorversuchen optimierten Prüfsystemen wurden dann begleitende Prüfungen bei Alterungsversuchen durchgeführt. In den Alterungsversuchen wurden Druckbehälter mit einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 3,5 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Flaschen sind Atemschutzgeräte bei der Feuerwehr. Die verschiedenen Prüfsysteme und die mit ihnen erzielten Ergebnisse werden vorgestellt.
Composite-Druckgefäße für den Gefahrguttransport sowie für Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge bestehen aus einem lasttragenden Composite und einer gasdichten, metallischen oder polymeren Barriereschicht (Liner). Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens solcher Composite-Druckgefäße wird in der BAM das interdisziplinäre Themenfeldprojekt COD-AGE durchgeführt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung und Bestimmung des Alterungsverhaltens von Carbonfaser-Compositen (CFK) am Beispiel von Druckgefäßen, um eine bessere Vorhersage der Alterung und der sicheren Gebrauchsdauer zu ermöglichen.
Ein Schwerpunkt in diesem Projekt ist die Bereitstellung geeigneter ZfP-Methoden. Dabei geht es sowohl um versuchsbegleitende Prüfungen, als auch um die mögliche Entwicklung von Prüfeinrichtungen für den späteren praktischen Gebrauch. In diesem Vortrag werden Prüfsysteme und Prüfergebnisse der „konventionellen“ Wirbelstromprüfung vorgestellt. In einem ersten Schritt wurden Versuche an bereits geschädigten Druckgefäßen durchgeführt. Dabei wurden Druckgefäße mit den Materialpaarungen Stahl-CFK, Aluminium-CFK und Kunststoff-CFK untersucht. Die Dicken der CFK-Schichten reichten hierbei von ca. 4 mm bis ca. 8 mm. Anfangs wurden die Gefäße mit verschiedenen Sensoren von außen geprüft. Es konnten sowohl Beschädigungen des metallischen Liners, als auch Strukturen des CFK-Geflechts nachgewiesen werden. In einem zweiten Schritt wurden die Gefäße von innen geprüft. Hierbei bestand die besondere Herausforderung in der Prüfung eines Zylinders von 150 mm Durchmesser durch einen Zugang von nur 15 mm Durchmesser.
Mit den bei diesen Vorversuchen optimierten Prüfsystemen wurden dann begleitende Prüfungen bei Alterungsversuchen durchgeführt. In den Alterungsversuchen wurden Druckbehälter mit einem ca. 4 mm dicken Aluminiumliner und ca. 3,5 mm dicker CFK-Ummantelung untersucht. Typisches Einsatzgebiet solcher Flaschen sind Atemschutzgeräte bei der Feuerwehr. Die verschiedenen Prüfsysteme und die mit ihnen erzielten Ergebnisse werden vorgestellt.
Die Messung der Gasfeuchte im Spurenbereich in unterschiedlichen technisch und
medizinisch relevanten Gasen erfolgte mit Sensoren, die auf dem coulometrischen
Messprinzip basieren. Die verwendeten planaren coulometrischen Sensoren wurden im
Frostpunkttemperaturbereich von -70 °C bis -30 °C in synthetischer Luft, Wasserstoff,
Stickstoff und Distickstoffmonoxid (Lachgas) untersucht. Als Referenz für die Messungen
wurde ein Präzisionstaupunktspiegel-Hygrometer verwendet. Die Gasfeuchte kann mit Hilfe
der Sensoren in allen untersuchten Gasen, aber mit geänderten Kalibrierfunktionen, mit einer
erweiterten Unsicherheit von kleiner als 2,1 K bestimmt werden. Für die Messungen in
unterschiedlichen Gasen muss also der Einfluss der Gasmatrix auf das Sensorsignal
berücksichtigt werden. So ist zum Beispiel bei Messungen in befeuchtetem Wasserstoff,
aufgrund von Rekombinationseffekten, ein signifikant geändertes Sensorsignal zu
beobachten.
Die Messung der Gasfeuchte im Spurenbereich in unterschiedlichen technisch und medizinisch relevanten Gasen erfolgte mit Sensoren, die auf dem coulometrischen Messprinzip basieren. Die verwendeten planaren coulometrischen Sensoren wurden im Frostpunkttemperaturbereich von -70 °C bis -30 °C in synthetischer Luft, Wasserstoff, Stickstoff und Distickstoffmonoxid (Lachgas) untersucht. Als Referenz für die Messungen wurde ein Präzisionstaupunktspiegel-Hygrometer verwendet. Die Gasfeuchte kann mit Hilfe der Sensoren in allen untersuchten Gasen, aber mit geänderten Kalibrierfunktionen, mit einer erweiterten Unsicherheit von kleiner als 2,1 K bestimmt werden. Für die Messungen in unterschiedlichen Gasen muss also der Einfluss der Gasmatrix auf das Sensorsignal berücksichtigt werden. So ist zum Beispiel bei Messungen in befeuchtetem Wasserstoff, aufgrund von Rekombinationseffekten, ein signifikant geändertes Sensorsignal zu beobachten.
Durch das alkalische Porenwassermilieu ist Stahl im Beton vor Korrosion geschützt. Unter ungünstigen Umgebungsbedingungen (Karbonatisierung, Chlorideintrag) kann die passive Deckschicht auf der Stahloberfläche zerstört werden. Im weiteren Verlauf können sich korrosionsbedingte Folgeschäden, wie Risse und Abplatzungen am Bauwerk ergeben. Um notwendige Sanierungsmaßnahmen sind frühzeitige und weitgehend zerstörungsfrei ermittelte Informationen über das aktuelle Korrosionsverhalten der Stahlbewehrung von großer Bedeutung. Die Potentialfeldmessung ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren zur Beurteilung des Korrosionszustandes der Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Bereiche aktiv korrodierender Bewehrung zerstörungsfrei lokalisiert werden. In der Regel kommt diese Messmethode bei der Detektion chloridinduzierter Korrosion zum Einsatz.
Die Feuerverzinkung von Betonstahl stellt auf der Grundlage der im Stahlbetonbau geltenden Regelwerke eine zusätzliche Maßnahme zur Steigerung der Dauerhaftigkeit insbesondere bei Korrosionsbeanspruchung infolge Karbonatisierung und/oder Chlorideinwirkung dar. Anders als im Ausland ist die Anwendung von feuerverzinktem Betonstahl in Deutschland bisher kaum verbreitet.
Im Rahmen des AiF-Forschungsprojekts IGF 499 „Technologie- und Sicherheitszuwachs bei der Anwendung von feuerverzinktem Betonstahl zum Ausbau einer nachhaltigen Marktposition im Stahlbetonbau“ sollten die einem breiteren Einsatz feuerverzinkter Betonstähle in Deutschland bisher entgegenstehenden offenen Fragestellungen beantwortet werden.
Die interdisziplinäre Forschergruppe bestand aus dem Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen, Technische Universität Kaiserslautern (Forschungsstelle 1), mit dem Arbeitsschwerpunkt Fertigungstechnik, der staatlichen Materialprüfungsanstalt Darmstadt an der Technischen Universität Darmstadt (Forschungsstelle 2), mit dem Arbeitsschwerpunkt Werkstofftechnik, und der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung, Berlin (Forschungsstelle 3), mit dem Arbeitsschwerpunkt Korrosionsschutz.
Die Feuerverzinkung von Betonstahl stellt auf der Grundlage der im Stahlbetonbau geltenden Regelwerke eine zusätzliche Maßnahme zur Steigerung der Dauerhaftigkeit insbesondere bei Korrosionsbeanspruchung infolge Karbonatisierung und/oder Chlorideinwirkung dar. Anders als im Ausland ist die Anwendung von feuerverzinktem Betonstahl in Deutschland bisher kaum verbreitet.
Im Rahmen des AiF-Forschungsprojekts IGF 499 „Technologie- und Sicherheitszuwachs bei der Anwendung von feuerverzinktem Betonstahl zum Ausbau einer nachhaltigen Marktposition im Stahlbetonbau“ sollten die einem breiteren Einsatz feuerverzinkter Betonstähle in Deutschland bisher entgegenstehenden offenen Fragestellungen beantwortet werden.
Die interdisziplinäre Forschergruppe bestand aus dem Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen, Technische Universität Kaiserslautern (Forschungsstelle 1), mit dem Arbeitsschwerpunkt Fertigungstechnik, der staatlichen Materialprüfungsanstalt Darmstadt an der Technischen Universität Darmstadt (Forschungsstelle 2), mit dem Arbeitsschwerpunkt Werkstofftechnik, und der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung, Berlin (Forschungsstelle 3), mit dem Arbeitsschwerpunkt Korrosionsschutz.
Diese Doktorarbeit ist das Resultat einer intensiven und fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen dem Fachbereich 6.1 (Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie) der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) sowie der Arbeitsgruppe Theoretische Chemie von Professor Saalfrank an der Universität Potsdam. Zusammen haben wir die Strukturaufklärung von Systemen in kondensierter Phase unter Verwendung der Röntgenabsorptionsspektroskopie betrieben. Von Seiten der BAM wurden experimentelle Röntgenabsorptionsspektren hoher Auflösung an modernen Synchrotroneinrichtungen (BESSY II, Berlin) aufgenommen. Die Theoretische Chemie liefert, unter Verwendung quantenchemischer Methoden, die Möglichkeit die Spektren zu simulieren. Bei der Röntgenabsorption wird ein Photon hoher Energie von einem molekularen System absorbiert und in einen angeregten Zustand versetzt. Die Intensität der Absorption ist stark abhängig von der eingestrahlten Photonenenergie. Das resultierende Absorptionsspektrum enthält eine Vielzahl von Informationen. Meine Aufgabe bestand darin, die untersuchten Systeme am Computer zu modellieren.
In der vorliegenden Dissertation wird die Verbesserung von Gassensoren durch Beschichtung mit dotierten Zinnoxidschichten untersucht, wobei zur Messung der Gase die Methode der oberflächenplasmonenresonanzverstärkten Ellipsometrie (SPREE) angewendet wurde. Die vorgestellten Ergebnisse unterteilen sich dabei in drei Schritte: Herstellung der Schichtsysteme, Analyse der chemischen, strukturellen und optischen Eigenschaften, sowie die Anwendung in der SPREE Gasmessung. Die dotierten Zinnoxidschichten wurden erfolgreich mittels Hochfrequenz-Magnetronsputtern hergestellt, indem das Zinnoxidtarget mit dem metallischen Dotierungsmaterial (Eisen bzw. Nickel) modifiziert wurde. Die chemische Analyse der Schichten wurde mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) und Röntgenfluoreszenz unter streifendem Einfall (GI-XRF) durchgeführt. Die EDX Untersuchungen zeigten qualitativ, dass das Dotierungsmaterial in die Schicht eingebaut wurde. Mithilfe der TOF-SIMS Experimente konnte nachgewiesen werden, dass die Dotierungskonzentration innerhalb der Schicht heterogen verteilt ist und mithilfe der GI-XRF Messung konnte der Dotierungsgrad quantitativ mit ca. 10% bestimmt werden. Für die strukturelle Untersuchung wurden die Methoden der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ausgewählt. Die AFM Messungen zeigten, dass die Schichten eine mittlere quadratische Rauheit kleiner als 1 nm aufweisen und die Rauheit damit nicht als Faktor in der Gasmessung berücksichtigt werden muss. In den TEM Messungen wurde der Schichtaufbau bestätigt und gezeigt, dass in den dotierten Schichten nanokristalline Strukturen vorliegen. Die optische Charakterisierung der Schichten wurde mit spektraler Ellipsometrie (SE) durchgeführt, um die dielektrische Funktion in Abhängigkeit der Dotierung zu untersuchen. Dafür wurden Modelle für die dielektrische Funktion auf der Basis von mehreren Gauss-Funktionen entwickelt. Es zeigte sich, dass die undotierten Schichten sich wie typische Dielektrika mit Bandkanten >4 eV verhält und mit drei Gauss-Funktionen simuliert werden kann. Für die dotierten Schichten verschiebt sich die Bandkante, in Abhängigkeit vom Grad der Dotierung und dem Oxidationsgrad, zu bis zu 2.1 eV. Außerdem muss das Modell um eine zusätzliche Gauss-Funktion im nahen Infrarot erweitert werden, die auf die Anwesenheit von metallischen Nanopartikeln zurückzuführen ist. Weiterhin zeigte sich, dass die dielektrischen Eigenschaften von der Dicke der Schicht abhängen. Die Benutzung der Zusatzschichten in der SPREE Gasmessung zeigte, dass diese Schichten die Sensoroberfläche effektiv vor Degradation schützt. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Sensitivität der jeweiligen Sensorschicht für bestimmte Gase von der Dotierung der Schicht abhängt. Es wurde gezeigt, dass eine Eisendotierung zu einer erhöhten Sensitivität für Kohlenmonoxid führt, während undotierte Schichten vor allem unpolare Alkane bevorzugen. Die Nickel-dotierten Schichten zeigten im Vergleich zur Eisendotierung deutlich schlechtere Ergebnisse für alle Gase. Diese Effekte wurden auf die unterschiedliche Bindungsstärke der Gase an die metallischen Nanopartikel und das Vorhandensein einer unterschiedlichen Zahl an Adsorptionsplätzen zurückgeführt. Für Wasserstoff wurden für alle Proben vergleichbare Ergebnisse gefunden, was darauf zurückzuführen ist, dass diese Moleküle aufgrund der geringen Größe und Masse in die Schicht diffundieren. Zusätzlich wurde das SPREE Verfahren signifikant verbessert, indem die Druckabhängigkeit Sensoren erstmals erfasst wurde. Weiterhin wurde die Auswertung weiterentwickelt, indem nur einzelne Parameter des Stokes-Vektors für die Gasmessung benutzt wurden.