Dissertations

Die Einpresstechnik ist ein gut entwickelter Prozess, um eine elektrische Kontaktierung zwischen Pin und Leiterplatte herzustellen. Ein Vorteil der Einpresstechnik ist das Herstellen der Verbindung ohne weitere Hilfsmittel wie Lotpaste oder Wärme. Nachteile des Verfahrens sind zum Teil hohe Einpresskräfte, die zu Beschädigungen an der Leiterplatte führen können oder die Verwendung von zusätzlichen Beschichtungen, um ausreichend hohe Festigkeiten zu erzielen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Prozess, ultraschallunterstützte Einpresstechnik, untersucht. Dabei wird die Leiterplatte während oder nach dem Einpressen mit Ultraschall angeregt. Das verwendete Materialsystem Kupfer- bzw. Aluminium-basierter Pin und Kupfer-Hülse weist keine zusätzliche metallische Beschichtung auf. Es werden verschiedene Einflussfaktoren des Prozesses auf Einpresskraft, Festigkeit und Qualität der Verbindungen untersucht. Der Prozess wird weiterentwickelt, um eine Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten und die Prozessparameter werden optimiert. Weiterhin wird eine neue geeignete Pingeometrie entwickelt und ihr Verhalten mit einer flexiblen Pingeometrie verglichen. Der Wirkmechanismus des Ultraschalls wird anhand der Verformung der Fügezone und Veränderungen im Werkstoff erläutert. Zu weiteren Erklärung werden statistische und thermische Modelle aufgestellt. Damit ist eine Voraussage der Auspresskraft und der Temperatur in der Fügezone möglich.

Die Photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung stellte eine nachhaltige und saubere Methode dar, um Wasserstoff zu erzeugen, ohne auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein. Der P-Typ Cu2O-Halbleiter ist ein vielversprechender Kandidat für die Verwendung als Photokathodenmaterial in Bezug auf Kosten, Verfügbarkeit, Lichtabsorption und Energiebandposition. Ein neuartiges und kostengünstiges Herstellungsverfahren für hochporöse Strukturen (55-80 Poren/mm2) von Cu2O-Photokathoden mit verbesserter PEC-Leistung unter ausschließlicher Verwendung der elektrochemischen Abscheidung wird vorgestellt. Dieses Verfahren beinhaltet drei Schritte, um ein stabiles und hochporöses Cu-Metallgerüst als Substrat für die Cu2O-Schichten herzustellen. Im ersten Schritt wurde ein Abscheideprozess unterstützt durch die dynamische Entwicklung von Wasserstoff-Blasen entwickelt, um poröse Cu-Strukturen mit feinen Porennetzwerken herzustellen. Die porösen Cu-Strukturen wurden durch Abscheidung homogener und kompakter Cu-Schichten auf den fein verästelten Porenwänden mechanisch verstärkt. Da die poröse Cu-Struktur nicht vollständig verstärkt war, wurde in einem dritten Schritt die teilweise verstärkte Struktur mit Hilfe von Ultraschall vom planaren Cu-Substrat abgelöst, um ein stabiles freistehendes poröses Netzwerk mit röhrenförmigen Durchgangsporen zu erhalten. Die Porengröße kann durch Veränderung der Abscheidezeit während des ersten Herstellungsschrittes leicht eingestellt werden. Cu2O-Schichten mit Dicken zwischen ˜0,5 und ˜3 [my]m wurden auf den freistehenden porösen Cu-Schichten durch Variation der Abscheidezeit elektrochemisch hergestellt. Die PEC-Wasserspaltung der Cu2O-Photokathoden wurde unter gepulser simulierter AM 1,5-Beleuchtung in einem wässrigen Elektrolyten aus 0,5 M Na2SO4 (pH 6) untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Proben mit kleineren Poren den höchsten Photostrom von -2,75 mA cm-2 bei 0 V vs. RHE aufwiesen, gefolgt von -2,25 mA cm-2 für die Proben mit großen Poren, während ein niedriger Dunkelstrom beibehalten wurde. Diese Photoströme sind 120 % bzw. 80 % höher als die PEC-Leistung einer Cu2O-Schicht auf planarem Cu-Substrat, die mit den gleichen Abscheideparametern hergestellt wurde. Die hohe Leistung wird auf die vergrößerte Oberfläche durch die poröse Struktur, die dünne und homogene Bedeckung der Cu2O-Schicht mit kleiner Korngröße und die höheren Lochkonzentrationen zurückgeführt, wie die Mott-Schottky-Analyse zeigte. Die weitere Auswertung der freistehenden porösen Cu2O-Proben zeigte, dass sie eine direkte optische Durchlässigkeit von 14 % für die feinporigen Proben bzw. 23 % für die grobporigen Proben besitzen ([Lambda] = 400-800 nm). Die Herstellung des transluzenten Metallgerüsts mit Hilfe des elektrochemischen Abscheidungsprozesses wurde bisher nicht berichtet, sodass neue Innovationen für verschiedene Anwendungen, insbesondere im Bereich der Energiematerialien, ermöglicht werden.

Dekorative Chromschichten sind im Alltagsleben omnipräsent, da sie Bauteiloberflächen ein ansprechendes Aussehen verleihen und zugleich Schutz vor Korrosion und Abrieb bieten. Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung, welche bereits seit Jahrzehnten bekannt und gut verstanden sind, basieren auf sechswertigen Chromverbindungen. Eine zunehmend strengere Chemikaliengesetzgebung schränkt die Verwendung dieser Stoffe ein und macht eine langfristige Substitution bei industriellen Prozessen notwendig. Elektrolyte auf Basis von dreiwertigen Chromverbindungen haben sich dabei als Alternative erwiesen und drängen zunehmend auf den Markt. Chrom(III)-basierte Elektrolytsysteme sind jedoch bislang kein gleichwertiger Ersatz und zeigen unter anderem Schwächen in Bezug auf Abscheiderate und optisches Erscheinungsbild der Chromschichten. Diese Arbeit soll Beiträge zum Verständnis des Abscheideprozesses und der Schichtbildung aus Chrom(III)-Elektrolyten liefern, um darauf aufbauend Maßnahmen für die Optimierung ableiten zu können. So wurde der Abscheideprozess mittels in-situ Mikrogravimetrie, Messung des oberflächennahen pH-Wertes und Bestimmung des bei der Abscheidung entstehenden Wasserstoffes charakterisiert. Im Ergebnis wurde eine Theorie zum Abscheidemechanismus aufgestellt. Anhand von Farbmessungen, REM- und AFM-Aufnahmen konnte ein Zusammenhang zwischen Schichtmorphologie und Farbwerten der Schichten nachgewiesen werden, welcher anhand von Modellrechnungen bestätigt wurde. Chrom(III)- und Chrom(VI)-Elektrolyte zeigen markante Unterschiede im Schichtwachstum. Aufbauend darauf wurde die Nutzung von Pulsstrom mit niedriger Frequenz als Maßnahme zur Steuerung der Morphologie und damit des Farbtones der Chromschichten identifiziert und erfolgreich angewendet.

In dieser Arbeit wird erstmalig ein Berechnungsmodell für Elastizitätsmoduln von kurzfaserverstärkten Kunststoffen unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Haftbedingung in der Faser-Matrix-Grenzfläche vorgestellt und validiert. Dies erfolgt im Rahmen einer Modellerweiterung indem die Oberflächenspannungsanteile der Kontaktpartner herangezogen und Oberflächenrauheiten der Fasern vernachlässigt werden. Die Anwendung des Modells präzisiert die Vorhersagen des Elastizitätsmoduls des Verbundes, was direkte Auswirkungen auf die Eigenfrequenzen und Nachgiebigkeit von Bauteilen insbesondere unter Verwendung nahezu unpolarer Matrices hat. Ein einmaliger Vorteil der Modellerweiterung besteht in der Möglichkeit Kreuzvergleiche zwischen den zu kombinierenden Materialien durchzuführen. Kombinationsspezifische Untersuchungen, wie Einzelfaserauszugstests einer spezifischen Faser-Matrix-Kombination, sind nicht mehr notwendig. Die Messung der Oberflächenspannungsanteile der gewählten Materialien erfolgt unter Verwendung dreier Testflüssigkeiten: destilliertes Wasser, Dimethylsulfoxid und Ethylenglycol. Darüber hinaus ist die Messung unter Einsatztemperatur zu empfehlen, die in vielen Fällen im Bereich der Raumtemperatur und im Rahmen dieser Untersuchungen bei 23 ˚C liegt. Zur Sicherstellung einer vollständig ausgeprägten Kontaktfläche zwischen Faser und Matrix muss ein Spreiten der Matrix auf der Faseroberfläche vorliegen. Hierbei muss die Gesamtoberflächenspannung der Matrix stets kleiner sein als die Gesamtoberflächenspannung der Faser oder gleichwertig. Die Modellerweiterung wird anhand geeigneter Faser- und Matrixwahl auf die Effekte der physikalischen Adhäsion reduziert, um dessen Einfluss klar herauszuarbeiten. Die eigenen Untersuchungen zeigen die Abweichungen der etablierten Modelle von bis zu 25 %, die mit der neuartigen Modellerweiterung stets im Bereich der Messunsicherheit des Elastizitätsmoduls des Verbundes aus den Zugversuchen liegen. Schließlich wird die Modellerweiterung an Daten aus der Literatur erprobt. Die Verbesserung der Vorhersage des Elastizitätsmoduls des Verbundes ermöglicht es, bereits in der Konzeptionsphase ein zuverlässiges elastisches Deformationsverhalten vorherzusagen und Materialwechsel oder Funktionsfaktoren im Entwicklungsprozess zu minimieren bis verhindern.

Wegen ihrer Beständigkeit gegen Korrosion sowie der guten Umformbarkeit sind austenitische CrNi-Stähle in einer Vielzahl von Anwendungen anzutreffen. Die Fähigkeit zur Ausbildung einer stabilen Passivschicht beruht dabei insbesondere auf dem Anteil an Chrom in der jeweiligen Legierung. Der Einfluss weiterer einzelner Faktoren auf das Korrosionsverhalten von CrNi-Stählen wird in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten behandelt. Die vorliegende Arbeit befasst sich dabei explizit mit der Auswirkung einer erfolgten Kaltumformung und der erzeugten Bauteiloberfläche infolge unterschiedlicher Bearbeitungsverfahren auf das Korrosionsverhalten. Zur Betrachtung der Wechselwirkung dieser beiden Faktoren wurden zwei metastabile austenitische Stähle herangezogen, welche eine nahezu identische Korrosionsbeständigkeit (gem. PREN) aufweisen, aber deren Austenitstabilität (gem. Md30) unterschiedlich ist. Durch mehrstufiges Kaltwalzen wurden an Blechmaterial verschiedene Umformgrade erzielt. Die Differenzierung in den Oberflächenausführungen wurde anschließend durch metallografische Präparation oder durch Plan-Umfangs-Längsschleifen erzeugt. Die metallografische Präparation führte zu geschliffenen, polierten oder elektropolierten Oberflächenausführungen. Für den maschinellen Flachschleifprozess wurden jeweils Oberflächen mit Siliziumkarbid oder mit Korund als Schleifmittel bearbeitet. Die Bestimmung des Korrosionsverhaltens erfolgte mittels verschiedener elektrochemischer Messmethoden. Zur Charakterisierung der erzeugten Oberflächen wurden unterschiedliche Analysemethoden angewendet, insbesondere die taktile und optische Bestimmung der Oberflächenrauheit sowie die Untersuchung mittels REM-Aufnahmen. Der Einfluss der Kaltumformung auf das vorliegende Gefüge, die zu einer ausgeprägten Bildung von α'-Martensit führte, wurde durch konventionelle Metallografie, EBSD-Messungen und magnetinduktive Messungen erfasst. In Bezug auf das erzielte Korrosionsverhalten zeigt sich der Einfluss beider Faktoren deutlich. Die Veränderung der mechanischen Eigenschaften infolge der Kaltumformung kann dabei als dominanter Einfluss auf die erzeugte Oberflächentopografie nachgewiesen werden. Hieraus folgt für geschliffene Oberflächen ein entgegengesetzter Trend des Korrosionsverhaltens mit steigendem Umformgrad zu den polierten oder elektropolierten Oberflächen.