Hematite-based photoanodes for sustainable solar water splitting. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xv, 130 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung ist eine der vielversprechendsten nachhaltigen Methoden zur Erzeugung von grünem Wasserstoff als sauberen Energieträger der Zukunft, der den stetigen Anstieg des weltweiten Energiebedarfs aufgrund des Bevölkerungswachstums und der industriellen Expansion decken soll. Wichtige Anforderungen an die erforderlichen photoelektrischen Materialien sind dabei die Umweltfreundlichkeit, die Stabilität sowie die Energie- und Kosteneffizienz. Diese Eigenschaften sind wesentlich für den Durchbruch und die Etablierung dieser Technologie. Bislang mangelt es an Materialien, die diese Kriterien erfüllen, sodass die PEC aktuell nicht effizient nutzbar ist. Hämatit (α-Fe2O3) als ein ungiftiges, stabiles, kostengünstiges und reichlich verfügbares n-Typ Halbleitermaterial ist eines der vielversprechendsten Photoanodenmaterialien und wurde in den letzten Jahrzehnten intensiv erforscht. Dennoch unterliegt die Effizienz immer noch großen Einschränkungen wie einer schlechten optischen Absorptionsfähigkeit und ultraschnellen Rekombinationsraten, die auf die kurze Diffusionslänge der photoerzeugten Ladungsträger zurückzuführen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist die bestehenden Herausforderungen für den Einsatz dieses Materials durch den Einsatz von nachhaltigen Synthesemethoden zu überwinden. Dafür werden Hämatit-Photoanoden aus Eisen durch thermische Oxidation an Umgebungsluft mit drei verschiedenen Strategien synthetisiert. Die erste Strategie zur Erzeugung beruht auf der kontrollierten Nanostrukturierung von handelsüblichen und kohlenstoffarmen Stahlfoliensubstrate. Nanostrukturierte Hämatit-Photoanoden zeigen eine überragende optische Absorption, aber ihre PEC-Wirkungsgrad ist aufgrund fehlender interner elektrischer Felder immer noch gering, was zu einer geringen Photostromdichte von 0,1 mA cm−2 bei 1,23 V versus RHE (reversible Wasserstoffelektrode) führt. Die zweite Strategie stützt sich auf optimierte Hämatit-Dünnschichten, die mittels optimierter thermischer Oxidation von Eisen-Dünnschichten auf leitfähigen Glassubstraten erzeugt wurden. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch die Erzeugung mechanischer Spannungen in den Hämatit-Dünnschichten deutlich verbessert, was durch einen Schnellglühprozess erreicht wird. Hämatit-Dünnschicht-Photoanoden weisen eine deutlich höhere Photostromdichte von 1,21 mA cm−2 bei 1,23 V versus RHE mit einer Faraday-Effizienz von etwa 100 % und einer überragenden Langzeitstabilität gegenüber Photooxidation auf, die über mehr als 1000 Stunden gemessen wurde. Das optische Absorption ist jedoch aufgrund der geringen Schichtdicke sehr gering. Aus diesem Grund wird in der dritten Strategie Aluminium in die Dünnschichten eingearbeitet, um die optische Absorption wesentlich zu erhöhen. Die dritte Strategie beruht auf einer optimierten thermischen Oxidation von Eisen-Aluminium-Dünnschichten auf leitfähigen Glassubstraten erzeugt wurden. Die mit dieser Strategie hergestellten Photoanoden weisen eine deutlich verbesserte elektrische Leitfähigkeit und eine überragende optische Absorption auf, was zu einer Photostromdichte von 1,52 mA cm−2 bei 1,23 V versus RHE. Mit diesem Ansatz wurde erstmals die solare Wasserspaltung ohne angelegte Spannung mit einem nachhaltigen Photoanodenmaterial erreicht. In einem NaOH-Elektrolyten wurde dabei ein STH-Wirkungsgrad (Solar-to-Hydrogen-Conversion) von 0,2 % erzielt. Diese vielversprechenden Ergebnisse motivieren weiterführende Forschungen auf dem Gebiet. Neben dem PEC-Wirkungsgrad wird für die synthetisierten Dünnschicht-Photoanoden auch eine hohe Reproduzierbarkeit nachgewiesen. Darüber hinaus werden verschiedene Aspekte wie beispielsweise das Verhalten der Elektrodenoberfläche mit Hilfe einer Kelvin-Sonde und der Photoelektronenspektroskopie bei Umgebungstemperatur sowie die Auswirkungen der Abscheidungsmethoden und die Auswirkungen der Eisenreinheit eingehend untersucht und ausgewertet.
https://doi.org/10.22032/dbt.60064
Charakterisierung der Wärmeführung beim wire arc additive manufacturing (WAAM) unter Einsatz des Metall-Schutzgasschweißprozesses. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2024. - 1 Online-Ressource (243 Seiten). - (Fertigungstechnik - aus den Grundlagen für die Anwendung ; Band 19)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Das wire arc additive manufacturing (WAAM) unter Verwendung des Metall-Schutzgasschweißprozesses zeichnet sich vordergründig durch eine kostengünstige und flexible Fertigung von großvolumigen, metallischen Bauteilen aus. Dabei führt der hohe Wärme- und Materialeintrag des Lichtbogenverfahrens jedoch zu einer periodischen Wiedererwärmung und teilweisen Wiederaufschmelzung des bereits platzierten Schweißguts. Bei umwandlungsfähigen Werkstoffen resultiert die Anwendung des Verfahrens dementsprechend in einer komplexen Wechselwirkung zwischen Temperatur-Zeit-Regime, Gefüge und technisch-mechanischen Bauteileigenschaften. Die Beschreibung der zugrundeliegenden Wirkmechanismen liegt im derzeitigen Stand der Technik nur ansatzweise vor. Im Rahmen der Arbeit erfolgt die systematische Untersuchung der Wärmeführung bei WAAM unter Einsatz von niedriglegiertem Stahl. Dabei wird die Adressierung eines breiten Anwendungsbereichs durch den Substratwerkstoff S355J2+N sowie den Schweißzusatzwerkstoff G4Si1 erreicht. Die zielgerichtete Beschreibung der Wärmeführung bei WAAM findet zunächst durch die experimentelle Untersuchung des prozessseitigen Wärmeeintrags und die Analyse der Wärmeabführung während der Bauteilabkühlung statt. Die allgemeingültige Darstellung der Ergebnisse gelingt durch die Einführung der t8/5-Zeit zur Beschreibung der Bauteilabkühlung je aufgetragener Schweißraupe im WAAM-Prozess. Auf Grundlage der experimentellen Versuchsdurchführung findet die Umsetzung einer transienten, thermischen Simulation des WAAM-Prozesses statt. Der Fokus liegt dabei auf der örtlich und zeitlich aufgelösten Analyse von Wärmefeldern und Abkühlraten zur fundierten Beschreibung von Phasenumwandlungen während der zyklischen Wiedererwärmung des Stahls. Als auschlaggebender Mechanismus zur Gefügeausbildung kann die letztmalige Überschreitung der Ac3-Temperatur sowie die anschließende Abkühlrate identifiziert werden. Die Verifizierung der Erkenntnisse gelingt einerseits durch den Abgleich mit metallografischen Querschliffen und andererseits durch ausgewählte Analyseverfahren zur Charakterisierung der technisch-mechanischen Bauteileigenschaften wie Härtemessungen oder Zugversuche. Zusammenfassend können die experimentell und numerisch ermittelten Erkenntnisse für die Erarbeitung eines Prozessmodells zur erstmaligen, quantitativen Beschreibung der Wärmeübertragungsmechanismen bei WAAM herangezogen werden. Zudem werden Prozessstrategien zur örtlichen Einstellung von technisch-mechanischen Bauteileigenschaften aufgezeigt.
https://doi.org/10.22032/dbt.60859
Ein Beitrag zum Entwurf nachgiebiger Mechanismen mithilfe von finiten Balkenelementen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2024. - 1 Online-Ressource (xx, 185 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 43)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Nachgiebige Mechanismen haben vielfältige Anwendungen in der Feinwerk-, Mess- und Mikrosystemtechnik. Zu ihrem Entwurf werden verschiedene Analyse- und Synthesemethoden eingesetzt. Finite-Elemente-Modelle mit Balkenelementen zeigen dabei infolge ihrer Recheneffizienz ein hohes Potenzial für die Analyse von Entwürfen in frühen Entwicklungsphasen sowie für die Strukturoptimierung nachgiebiger Mechanismen. Hierdurch motiviert, erfolgt in der vorliegenden Arbeit die Untersuchung von Finite-Elemente-Modellen mit Balkenelementen. Aufbauend auf der Einordnung bestehender Analyse- und Synthesemethoden für den Entwurf nachgiebiger Mechanismen werden ein neuartiges Prozessmodell und Handlungsempfehlungen zur Methodenwahl abgeleitet. Um die Eignung von verschiedenen finiten Balkenelementen zu bewerten, folgt im Hauptteil der Arbeit ein Vergleich von Modellen zur Analyse nachgiebiger Gelenke mit Viertelkreiskontur bei ebener Belastung. Es wird der kombinierte Einfluss der Gelenkabmessungen und Lastfälle betrachtet. Der Modellvergleich erfasst dabei geometrisch lineare und nicht lineare Finite-Elemente-Modelle mit Balken-, Scheiben- und Volumenelementen sowie lineare Nachgiebigkeits-Matrix-Modelle. Die ausgewerteten Modellergebnisse enthalten die maximal auftretende Dehnung im Gelenk, die Verformungsanteile am Kraftangriffspunkt und die Drehachsenverlagerung. Für den Einsatz von finiten Balkenelementen werden verschiedene Modellierungsparameter näher betrachtet und vorteilhafte Modellvarianten identifiziert. Die Approximation von Modellabweichungen ermöglicht dabei die Berechnung von Korrekturfaktoren. Zudem erfolgt die Untersuchung des Einflusses der Lastdefinition bei verschiedenen eingeprägten Verformungs- und Kraftgrößen. Eine Fehlerbetrachtung schließt den Modellvergleich ab. Das Potenzial nicht linearer Balkenelemente wird darauf folgend anhand des Entwurfes eines nachgiebigen Greifers unter Nutzung von Optimierungsverfahren aufgezeigt. Durch die Identifikation vorteilhafter Modelle und Modellierungsparameter sowie durch die Entwicklung von Ansätzen zu deren Auswahl leistet die Arbeit einen Beitrag zur effizienten rechnergestützten Entwicklung nachgiebiger Mechanismen.
https://doi.org/10.22032/dbt.60051
Maschinen- und Verfahrensentwicklung zum laserunterstützten, großvolumigen Schmelzschichten. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2024. - 1 Online-Ressource (XXIV, 152 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 42)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
In den vergangenen Jahren hat sich im Bereich der additiven Fertigung auch das großvolumige Schmelzschichten kontinuierlich weiterentwickelt. Diese Technologie zeichnet sich durch leistungsfähige Extrudiersysteme mit hohen Austragsraten (>1,5 kg/h) und verhältnismäßig großen Düsendurchmessern (3 - 15 mm) aus. Obwohl das auf Granulat basierende Verfahren ein deutlich größeres Anwendungsspektrum hinsichtlich zu verarbeitender Kunststoffe bietet und zudem deutlich reduzierte Fertigungszeiten sowie die Herstellung wesentlich größerer Komponenten (>2 m³) ermöglicht, bringt es gleichzeitig neue Herausforderungen hinsichtlich der Herstellung von Bauteilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften mit sich. Besonders der im Vergleich zum Filamentverfahren deutlich größere Düsendurchmesser und die daraus resultierende Stranggeometrie führen zu einer Skalierung des für die additive Materialextrusion charakteristischen Aufbaus der Bauteile. Dadurch treten technologiebedingte Merkmale (bspw. Treppenstufeneffekt, Hohlräume, etc.) deutlich prägnanter zum Vorschein. Die generierten Bauteile besitzen ein orthotropes Verhalten. Die vorliegende Arbeit vermittelt ein umfassendes Prozessverständnis über das großvolumige Schmelzschichten und beschreibt die Entwicklung einer richtungsvariablen Lasertemperiereinheit, um den additiven Prozess und die Lasermaterialbearbeitung zu kombinieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen dabei die Werkstoffe PMMA (Polymethylmethacrylat) und SAN (Styrol-Acrylnitril). Die Entwicklung eines umfangreichen Prozessmodells ermöglicht es Bauteile unter Berücksichtigung von Stranggeometrie, Abkühlverhalten sowie Schichtverbindungsqualität reproduzierbar herstellen zu können. Die Untersuchungen zeigen, dass mittels großvolumigem Schmelzschichtens hergestellte Bauteile deutlich bessere Festigkeitseigenschaften als Bauteile filamentbasierter Verfahren aufweisen. Dies äußert sich besonders im Zwischenlagenverbund entlang der Aufbaurichtung. Durch die gezielte Einbringung von Wärmeenergie mittels Infrarotstrahlung in den additiven Herstellungsprozess können sowohl die Kontaktzone zwischen aufeinander geschichteten Strängen vergrößert, als auch verfahrensbedingte Hohlräume um bis zu 57 % reduziert werden. Die Erhöhung der Biegefestigkeit, die Verminderung der Kerbwirkung zwischen den Einzelschichten sowie eine dichtere Strangablage führen zu einer Annäherung an isotrope Bauteileigenschaften. Um den laserbasierten Temperiervorgang entsprechend des Extrusionspfades nachzuführen, wird unter Anwendung des Konstruktiven Entwicklungsprozesses eine richtungsvariable Lasertemperierung entwickelt und erprobt. Dadurch gelingt es den Lasertemperierprozess auch für komplexe Bauteilgeometrien zu optimieren. Die mechanischen Bauteileigenschaften erfahren hierdurch eine deutliche Verbesserung. Besonders im Hinblick auf die laterale Stranganbindung ist, im Vergleich zum großvolumigen Schmelzschichtprozess ohne Verwendung eines Lasersystems, eine Steigerung der Biegefestigkeit um das bis zu 8,6-fache zu verzeichnen.
https://doi.org/10.22032/dbt.59543
Charakterisierung von Mikrokugeln auf der Basis von AFM-Oberflächenscans. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (ix, 136 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Taktile Koordinatenmessgeräte (KMGs) werden zur präzisen Charakterisierung komplexer Bauteile eingesetzt. Bei solchen Messgeräten wird die zu erfassende Oberfläche des Werkstücks in der Regel von einem sphärischen Element angetastet. Durch die Entwicklung von Mikro- und Nano-KMGs steigen die Anforderungen an das Antastelement hinsichtlich der Größe und Form. Benötigt werden Antastkugeln mit Radien im Submillimeterbereich. Die präzise Charakterisierung von Mikrokugeln stellt daher einen entscheidenden und derzeit limitierenden Faktor in der erfolgreichen Anwendung von Mikro- und Nano-KMGs dar. Der Beitrag dieser Arbeit liegt deshalb in der Weiterentwicklung bisheriger Ansätze zur Messung von Mikrokugeln, um die Leistungsfähigkeit von Mikro- und Nano-KMGs nachhaltig zu verbessern. Die Untersuchungen wurden mithilfe einer Nanomessmaschine (NMM-1, SIOS) durchgeführt. Es wurde eine neuartige Strategie implementiert bei welcher die Kugeloberfläche durch mehrere Oberflächenscans abgetastet und anschließend durch einen Stitching-Algorithmus rekonstruiert wird. Als Oberflächensensor wurde ein Atomkraftmikroskop (AFM) im Kontaktmodus genutzt. Zur Korrektur des Einflusses der AFM-Spitze wurde ein Messprozess entwickelt, bei dem der Kugelradius auf eine scharfe Kante zurückgeführt wird. Zur Optimierung und Unsicherheitsermittlung wurde ein auf Simulationen basierendes Modell des Messprozesses erstellt. Zur Reduktion der Komplexität sind die meisten Untersuchungen innerhalb dieser Arbeit auf die Messung eines Großkreises der Kugel (Äquator) beschränkt. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Strategie ist für die Charakterisierung von Mikrokugeln geeignet. Sie wurde an Kugeln mit Radien von 60 µm, 100 µm und 150 µm getestet. Der Einfluss der AFM Spitze wurde durch den Einsatz unterschiedlicher Spitzen mit nominellen Radien von 200 nm bis 2 µm untersucht. Es konnte eine Wiederholbarkeit von 5 nm über 11 Wiederholungen erreicht werden. Hinsichtlich der erreichbaren Messunsicherheit steht eine experimentelle Validierung des entwickelten Modells noch aus. Dazu ist unter anderem die Reinigung von Mikrostrukturen zu optimieren.
https://doi.org/10.22032/dbt.61581
Zoom systems based on tunable lenses. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xx, 171 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Eine große Bandbreite an verschiedenen Prinzipen ermöglicht den sogenannten verstimmbaren Linsen ihre Brennweite zu variieren. Fluidische Linsen und Membranlinsen, die die Fokusvariation durch eine Krümmungsänderung der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Brechungsindizes bzw. einer flüssigkeitsgefüllten Membran erreichen, sind zwei der meistbekannten Technologien. Neben schnell fokussierenden Objektiven für die Qualitätssicherung, sind Zoomobjektive ein vielversprechendes Anwendungsgebiet für diese Elemente. Durch das Ersetzen axialer Bewegung von Linsengruppen, eröffnen sie das Potential für kompaktere, stabilere und leichtere Zoomobjektive. Das ist insbesondere für Anwendungen interessant, in welchen der notwendige Bauraum für die axiale Bewegung von Linsengruppen bisher weitgehend optischen Zoom verhindert hat, wie in Smartphone Kameras und anderen miniaturisierten Geräten. Die Literatur zu den Grenzen und Möglichkeiten derartiger Systeme, sowie zu systematischen Designalgorithmen ist aufgrund der verhältnismäßig neuen Technologie begrenzt. Daher bietet die vorliegende Arbeit einen Überblick über die Leistungsfähigkeit aktueller verstimmbarer Linsen und eine Untersuchung ihres Potentials in Zoomobjektiven. Eine systematische Designmethode zur Analyse des großen paraxialen Lösungsraums wird vorgestellt. Die Anwendung traditioneller Abbildungsfehlertheorie ermöglicht es, die vielversprechendsten Startsysteme bereits in einem frühen Stadium des Designprozesses auszuwählen. Spezifische Herausforderungen für Zoomobjektive die auf verstimmbaren Linsen basieren werden identifiziert und mögliche Lösungsansätze auf der Basis konkreter Designbeispiele diskutiert. Die besonders herausfordernde Korrektur chromatischer Aberrationen über den gesamten Verstimmbereich wird durch eine detaillierte Betrachtung einer Kombination refraktiver Membranlinsen und diffraktiver verstimmbarer Linsen, in Form von Alvarez-Lohmann Linsen, adressiert. Neben der Korrektur chromatischer Aberrationen erlaubt die Einführung höherer Polynomterme in der Phasenfunktion der diffraktiven Elemente auch eine begrenzte Kompensation des Öffnungsfehlers. Die Betrachtungen beinhalten raytracing basierte - und wellenoptische Simulationen, sowie die Herstellung von Prototypen und eine experimentelle Charakterisierung, die einen grundsätzlichen Funktionsnachweis liefert.
https://doi.org/10.22032/dbt.61409
Multi-level hierarchical construction of nano- and micro-composite particles supported by microfluidical synthesis. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (XVI, 179 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Ziel der Dissertation war die Untersuchung der Synthese neuartiger hierarchisch aufgebauter Mikropartikel unter Nutzung der Vorteile mikrofluidischer Herstellungsmethoden. Dabei sollten Partikel mit drei bis fünf Integrationsebenen realisiert werden, was entsprechend hohe Anforderungen an die Beschaffenheit und Qualität der Bausteine stellt. Für eine reproduzierbare Integration mikro- und nanoskaliger Komponenten mussten sowohl die Herstellungsschritte der einzelnen Bausteine als auch die Assemblierungsschritte reproduzierbar gestaltet werden. Dazu wurden als Schlüsseltechniken unterschiedliche mikrofluidische Polymerpartikelsynthesen für unterschiedliche Größenbereiche eingesetzt, nämlich eine Mikrodurchfluss-Emulsionspolymerisation für PMMA-Nanopartikeln (oberer Nanometerbereich), eine Mikrodurchfluss-Suspensionspolymerisation für poly TPGDA-Mikropartikeln (mittlerer und unterer Mikrometerbereich) und eine in situ-Mikrodurchfluss-Photopolymerisation für PAM-Gel-Mikropartikel (oberer Mikrometerbereich). Diese Verfahren ermöglichten eine Herstellung der erforderlichen Konstruktionselemente mit hoher Größenhomogenität und Ausbeute. Für die Bildung hierarchisch konstruierter Partikelarchitekturen mussten die Komponenten der kleineren Konstruktionsebenen jeweils in die partikulären Strukturen auf höheren Ebenen integriert werden. Die experimentelle Umsetzung dieses Konzeptes gelang durch die Zusammenführung passender Integrationsschritte. Die erfolgreiche Integration konnte durch folgende Systeme mit demonstriert werden: - PAM-Gel-Mikropartikel mit in der Matrix integrierten kleineren Poly TPGDA-Mikropartikeln, die ihrerseits auf der Oberfläche PMMA-Nanopartikel tragen (3-Ebenen-System) - Poly TPGDA-Partikel/PMMA-Verbundmikropartikel mit auf den PMMA-Oberflächen integrierten Gold-Nanopartikeln (3-Ebenen-System) - PAM-Mikrogelpartikel mit eingebetteten Poly TPGDA-Partikel/PMMA-Verbundmikropartikel mit auf den PMMA-Oberflächen integrierten Gold-Nanopartikeln (4-Ebenen-System) - Kern-Hülle-Mikrogelpartikel mit integrierten eingebetteten Poly TPGDA-Partikel/PMMA-Verbundmikropartikel mit auf den PMMA-Oberflächen integrierten Gold-Nanopartikeln (4-Ebenen-System) sowie eingebetteten Silbernanowürfeln (5-Ebenen-System). Die Robustheit und Reversibilität der hierarchischen Systeme wurden durch wiederholte Trocknungs- und Quellzyklen bestätigt. Trotz der mechanischen Empfindlichkeit der PAM-Matrix blieben die strukturelle Integrität und die Anordnung der Verbundstoffe unverändert. Der Erfolg der Synthese- und Integrationsschritte und damit der hierarchische Aufbau der Partikel wurde durch licht- und elektronenmikroskopische Abbildungen sowie durch unterschiedlich emittierende in den verschiedenen Polymermatrices immobilisierte Fluoreszenzfarbstoffe verifiziert. Zusätzliche wurden Diffusionssexperimente mit Fluoreszenzfarbstoffen zur Charakterisierung der Permeabilität der Gelmatrices durchgeführt. Die prinzipielle Eignung der hierarchisch aufgebauten Partikel konnte anhand der Integration und chemischen Nachverstärkung von Silbernanopartikeln gezeigt werden, die eine Eignung der Partikel als „Mikrosensoren“ für die oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (SERS) belegen. Zusammengefasst stellt diese Forschungsarbeit einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Nanotechnologie dar, da sie einen systematischen Ansatz zur Schaffung hierarchisch strukturierter, mehrschichtiger Kompositmaterialien präsentiert, die für die selektive Sensorik oder Katalyse eingesetzt werden können.
https://doi.org/10.22032/dbt.61553
Experimentelle Untersuchungen parasitärer Wandschichtströmungen in thermischen Energiespeichern. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xiii, 180 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Im Rahmen der Energiewende nehmen thermische Energiespeicher eine wichtige Rolle in der mittel- bis langfristigen Energiespeicherung erneuerbarer Energien ein. Dabei können thermische Schichtenspeicher grundsätzlich hohe exergetische Effizienzen erreichen, sofern die thermische Schichtung mit hohen Temperaturgradienten in der Thermokline lange aufrecht erhalten bleibt. Da typische Speicherseitenwände aus Metall als Wärmebrücke zwischen den Schichtungszonen wirken und parasitäre Wandschichtströmungen entlang der vertikalen Wände anregen, sorgen sie für eine Reduktion der Speichereffizienz. Da die hohen statischen Belastungen sowie korrosive Eigenschaften verschiedener Speicherfluide den Austausch des Wandmaterials nicht einfach erlauben, müssen die Wandschichtströmungen besser verstanden werden, um sie dann gezielt durch andere Maßnahmen vermeiden zu können. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher mit Hilfe messtechnischer, analytischer und numerischer Methoden die parasitären Strömungen und damit einhergehende physikalische Phänomene charakterisiert. Die Untersuchungen basieren maßgeblich auf optischen Strömungs- und Temperaturmessungen, welche in einem eigens entwickelten Modellexperiment eines thermischen Schichtenspeichers durchgeführt werden. Nach einer exergetischen Analyse der Modellzelle und numerischen Voruntersuchungen werden zeitgemittelte und zeitaufgelöste Messungen der parasitären Strömungen durchgeführt. Die zeitgemittelten Messungen zeigen zwei gegenläufige Wandschichtströmungen, welche in der Thermokline abgebremst werden und Rückströmungsgebiete ausbilden. Mittels einer Skalierungsanalyse sind diese Effekte auf die hohen Dichtegradienten innerhalb der Thermokline zurückzuführen. Anhand der zeitaufgelösten Messungen wurden dominante Frequenzen in der Wandschichtströmung auf den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung zurückgeführt. Zudem wird gezeigt, dass im Fernfeld der Wand weitere periodische Oszillationen angeregt werden, welche die thermische Schichtung weiter durchmischen. In abschließenden Untersuchungen an einem großskaligen Salzschmelzenspeicher werden die gleichen Fluktuationen nachgewiesen und es wird gezeigt, dass sie in den Randbereichen der Thermokline verursacht werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit die Grundlagen, um zukünftige Schichtenspeicher gezielt verbessern zu können und so deren Effizienz zu steigern.
https://doi.org/10.22032/dbt.60878
Design and adjustment of weighing cells for vacuum mass comparators. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2024. - 1 Online-Ressource (xxiii, 189 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 41)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Wägezellen auf Basis von nachgiebigen Mechanismen sind von entscheidender Bedeutung in der Massenmetrologie. Die Justierung der mechanischen Eigenschaften bestimmen die messtechnische Leistungsfähigkeit der Instrumente. Die vorliegende Dissertation leistet einen spezifischen Beitrag zu deren weiteren Steigerung. Die Konstruktion und Justierung von nachgiebigen Mechanismen für elektromagnetisch kraftkompensierte Wägezellen in Vakuum-Massekomparatoren werden behandelt. Wichtigster Bestandteil dieser Mechanismen sind ultradünne Festkörpergelenke, deren Modellierung, Fertigung und Messung betrachtet werden. Das mechanische Gesamtsystem wird hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften Steifigkeit, Neigungsempfindlichkeit und Ecklastempfindlichkeit modellbasiert und ausgehend von drei Wägezellen-Prototypen experimentell untersucht. Die entwickelte Justiermethode und deren Umsetzung in Justiereinrichtungen erlauben eine zielgerichtete Justierung unter Vakuumbedingungen. Sie sind darauf ausgelegt, die mechanischen Unsicherheitsbeiträge erster Ordnung der Wägezelle zu eliminieren und ermöglichen so eine weitere Verringerung der Messunsicherheit für Massekomparatoren.
https://doi.org/10.22032/dbt.59666
Kombination aus Nanofabrikation und Nanometrologie auf einer planaren Ø100 mm Nanofabrikationsmaschine (NFM-100). - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (ix, 147 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Der Bedarf an hochpräziser Positionierung für die Anwendung der Nanofabrikation in makroskopischen Arbeitsbereichen nimmt stetig zu. Durch einen neuen Grad der Komplexität bei der mikro- und nanoelektronischen Fertigung sind extremste Anforderungen an die hochpräzise Nanopositionierung über Verfahrbereiche bis zu 100 mm und deren Kombination mit hocheffizienten Nanostrukturierungsverfahren erforderlich. Für die Erzeugung von Nanostrukturen haben sich in den letzten Jahrzehnten im Vergleich zur optischen Lithographie zahlreiche alternative Verfahren etabliert. Für höchstgenaue Nanostrukturierung und -Messung bieten spitzenbasierte Technologien einen deutlichen Vorteil im Gegensatz zu anderen Verfahren. Der gewöhnliche Bewegungsbereich von spitzenbasierten Systemen ist jedoch meist nur auf einige hundert µm² begrenzt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die bisher kleinflächige Nanostrukturierung durch einen Fowler-Nordheim-Emissionsstrom auf Wafergrößen bis zu 4 Zoll auf Basis einer ultrapräzisen Nanopositionier- und Nanomessplattform zu übertragen. Durch die einzigartige Kombination aus planarer Nanopositioniertechnologie mit einem spitzen basierten System können die Bewegungsbereiche um einen Faktor 106-108 erweitert werden. Die Nutzung von aktiven Mikrocantilevern erlaubt einen beliebigen Wechsel zwischen Rasterkraftmikroskopie- und Rastersondenlithographiemodus. Nach der Charakterisierung und Optimierung der planaren Nanofabrikationsmaschine folgen gezielte und umfassende Untersuchungen des spitzenbasierten Systems, um beide Systeme optimal zusammenführen zu können. Anschließend werden diverse Experimente durch die Kombination der Systeme zur großflächigen Abtastung präsentiert, bei denen die Demonstration von makroskopischen AFM-Scans bis zu 100 mm im Fokus stehen. Daran schließen sich umfassende Untersuchungen zur Nanofabrikation über makroskopische Bereiche an. Hiermit gelang der Nachweis der erfolgreichen Synergie der beiden Technologien. Die Zusammenhänge der Reproduzierbarkeit, Präzision als auch des Spitzenverschleißes sind intensiv untersucht. Auch die Bearbeitungslänge und maximale Scangeschwindigkeiten werden analysiert und diskutiert. Zum Nachweis der Verwertbarkeit der erzeugten Nanostrukturen mit der NFM-100 ist ein möglicher Musterübertrag für die Anwendung weiterer Nanofabrikationsprozesse wie beispielsweise der Nanoprägelithographie erfolgreich demonstriert.
https://doi.org/10.22032/dbt.59668