Prognoseverfahren der Entladekapazität für CoinPowers mittels des Machine-Learnings und der Impedanzspektroskopie (EIS). - Ilmenau. - 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die genaue Überwachung von Batteriezuständen wie Entladekapazität ist entscheidend für die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithium-Ionen-basierten Energiespeichersystemen, die in Elektrofahrzeugen oder für stationäre Systeme eingesetzt werden. Die Vorhersage der Etladekapazität einer Zelle durch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Machine-Learning kann eine schnelle Messung des Batteriezustands ohne Einsatz zusätzlicher Sensoren oder zeitaufwändige Leistungsmessungen ermöglichen. Die Untersuchung der Einfluss von Kapazität, Ladezustand und Temperatur auf die EIS-Antwort ist analytisch kompliziert. Daher kommen Machine-Learning-Prozesse zum Einsatz. Vorhersage der Entladekapazität anhand von EIS-Daten eröffnet die neuen Möglichkeiten in der Batterieproduktion, -nutzung und -optimierung. Batteriehersteller können damit den Entwicklungszyklus der Zellen beschleunigen, neue Herstellungsprozesse schneller validieren und neue Zellen nach ihrer erwarteten Lebensdauer sortieren. Darüber hinaus sind Machine-Learning-Ansätze besonders attraktiv für Hochgeschwindigkeits-Betriebsbedingungen. Die Modelle und die Algorithmen, wie Extreme-Gradient-Boosting (XGBoost), sind in der Lage, die Entladekapazität der Zellen über mehreren Zyklen vorherzusagen. In der vorliegenden Masterarbeit wurde den Zusammenhang zwischen Entladekapazität und elektrochemischen Impedanzwerten einer NMC-Knopfzelle während der kalendarischen- und Zyklenlebensdauer untersucht, um zu beurteilen, ob dies zur Grundlage für Qualitätskontrolle der lithiumbasierten CP1254-A3-Zellen dienen kann.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Synthese von 3D-Nanostrukturen auf einem leeren Substrat kann durch gerichtete Selbstorganisation von Aerosolen, d. h. durch Gasphasen-Elektroabscheidung, erreicht werden. Während bei der konventionellen Gasphasenelektroabscheidung resistgemusterte Substrate verwendet werden, um die geladenen Nanopartikel in die gewünschten Öffnungen auf dem Substrat einzuschleusen, werden in dieser Arbeit Siliziumnitridmembranen als Druckkopf verwendet, um 3D-Nanostrukturen auf einem leeren Substrat herzustellen. Es wird ein 3D-Drucker für Nanopartikel vorgestellt, der minimale Strukturgrößen von bis zu 250 nm drucken kann. Ein Vorteil ist, dass die Abscheidung nicht auf die Form der Membranöffnung beschränkt ist, das endgültige Substrat mit 3D-Strukturen frei von Photoresist ist und die strukturelle Morphologie der wachsenden 3D-Strukturen während der Abscheidung in-situ verändert werden kann. Bei einem solchen System wird die strukturierte Membran in einem Abstand von 5 - 10 µm zum Substrat angebracht. Der Arbeitsabstand hängt von der Fokussierungswirkung der Membranen ab, die u. a. von der Gasflussrate, der Substratvorspannung und der Art des Nanomaterials abhängt. Wenn das Substrat auf einem piezoelektrischen XYZ-Tisch platziert ist, kann die Bewegung des Tisches vor Ort die 3D-Morphologie verändern. Die Schreib-, Registrierungs- und Prototyping-Funktionen des Nanodruckers werden untersucht. Als Substrate werden 15 x 15 mm große Si(100)-Stücke verwendet, die mit 10 nm Chrom als Haftschicht und 200 nm gesputtertem Kupfer beschichtet sind. Die Substrate werden für die Experimente mit -500 V, -1000 V oder -2000 V vorgespannt. In dieser Studie wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um die Auswirkungen des Materials, den Fokussierungseffekt der Membranöffnungen, die Abhängigkeit von der Öffnungsform der Ablagerungen, die Parameter für ein nicht-dendritisches Wachstum und die zukünftige Ausrichtung der Membranexperimente zu bewerten. Diese Arbeit stellt eine Proof-of-Concept-Studie in diesem aufstrebenden Bereich dar.
Study of hysteresis effects in 2D material devices. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Das wachsende Interesse an zweidimensionalen (2D) Materialien rührt von ihren einzigartigen Eigenschaften her, die eine Integration mit hoher Dichte, einen geringen Stromverbrauch und die Herstellung verschiedener Heterostrukturen mit einem breiten Spektrum an elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften ermöglichen. Die Hysterese in 2D-Materialien hat aufgrund ihres Potenzials für die Implementierung komplexer logischer Operationen und die Nachahmung biologischer Neuronencharakteristika große Aufmerksamkeit erregt, was eine energieeffiziente Datenverarbeitung ermöglicht und die Grenzen der von-Neumann-Computersysteme überwindet. Das Hystereseverhalten in 2D-Materialien ist jedoch komplex und vielfältig und stellt eine Herausforderung für praktische Anwendungen dar. Diese Studie stellt eine umfassende Untersuchung des Hystereseverhaltens von Feldeffekttransistoren (FETs) aus 2D-Materialien vor. Die Forschung konzentriert sich auf die Gewinnung wertvoller Erkenntnisse über die Faktoren, die die Hysterese beeinflussen, und deren Auswirkungen auf 2D-Materialien in FETs. Die Forschung umfasst in erster Linie die Analyse zweier spezifischer Arten von FETs aus 2D-Materialien: MoS2-FETs mit hinterem Gate auf einem SiO2/Si-Substrat und Graphen-Nanoband-FETs (GNR), die aus epitaktisch gewachsenem Graphen auf einem halbisolierenden 4H-SiC-Substrat hergestellt werden. Bei den MoS2-FETs wurden Experimente mit Dünnschicht- und Wenigschicht-Bauelementen durchgeführt, wobei der Bereich, die Rate und die Richtung der Gate-Spannung variiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass größere Sweep-Bereiche und Beleuchtungsbedingungen zu einer erhöhten Hysterese beitragen. Das Hystereseverhalten hängt auch von den anfänglichen Messbedingungen ab, wobei eine größere Hysterese beobachtet wird, wenn mit dem positiven (Ein-Zustand) Startzyklus begonnen wird, verglichen mit dem negativen (Aus-Zustand) Startzyklus. Darüber hinaus deutet eine bemerkenswerte Verschiebung der Schwellenspannung während des Vorwärts-Sweeps (Aus-Zustand zu Ein-Zustand) im Vergleich zum Rückwärts-Sweep (Ein-Zustand zu Aus-Zustand) auf eine Abhängigkeit von der Sweep-Richtung hin. Die Studie zeigt, dass sowohl Grenzflächenfallen als auch Bulkdefekte in der MoS2-Kanalschicht zur Hysterese beitragen, wobei Dünnfilm-FETs eine ausgeprägtere Hysterese aufweisen. Die erhöhte Hysterese in Dünnfilm-MoS2-FETs kann nicht allein auf Grenzflächenfallen zurückgeführt werden, was auf einen erheblichen Beitrag von Bulkdefekten hindeutet. Im Fall von GNR-FETs zeigt die Studie den Einfluss der GNR-Kantenstrukturen (Zickzack und Sessel), der Kanalabmessungen, der Gate-Modulationskonfigurationen und der Kanalpassivierung mit einer hoch-k-dielektrischen Schicht auf die Hysterese. Die Ergebnisse geben Einblicke in die physikalischen Mechanismen, die der Hystereseerzeugung zugrunde liegen, und gehen über die üblicherweise untersuchten Faktoren hinaus. Die Ergebnisse zeigen, dass GNR-FETs in Armchair-Richtung eine stärkere Hysterese aufweisen, die von der Art der GNRs (halbleitend oder metallisch) und ihrer Kantenstruktur beeinflusst wird. Eine Vergrößerung der Einschnürungsbreite von GNRs beschleunigt die Hysterese aufgrund von Variationen der Oberflächenmorphologie und erhöhter Defektdichte. Die Modulation des Side-Gate erzeugt eine größere Hysterese als die Modulation des Top-Gate, und die Passivierung des Kanals mit einer dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert verringert die Hystereseeffekte. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die elektrostatische Kontrolle des Gates und die Wechselwirkungen mit der Umgebungsfeuchtigkeit oder Prozessrückständen das Hystereseverhalten beeinflussen, wenn man bedenkt, dass das Bauelement ursprünglich nicht passiviert war. Insgesamt bietet diese Forschungsarbeit wertvolle Einblicke in die Faktoren, die das Hystereseverhalten in FETs auf 2D-Materialbasis beeinflussen. Die Ergebnisse verdeutlichen die Komplexität und Vielfalt der Hysterese und unterstreichen die Notwendigkeit einer sorgfältigen Optimierung der Herstellungs- und Betriebsbedingungen, um die Leistung und Stabilität dieser Bauelemente in praktischen Anwendungen zu verbessern.
Verkapselung von chemischen Neutralisationsagenzien und Bewertung ihrer mechanischen Eigenschaften. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Motivation für diese Arbeit begründet sich durch die von Chemikalienunfällen ausgehende Gefährdungen für Rettungs- und Einsatzkräfte. Durch das schnelle Einleiten geeigneter Gegenmaßnahmen können die gesundheitsgefährdenden Auswirkungen bei direktem Hautkontakt eingegrenzt werden. Ein universell einsetzbares Dekontaminationsmittel würde eine signifikante Verbesserung des Ist-Zustandes darstellen, da der Gefahrstoff nicht immer bekannt ist oder entsprechende Gegenmittel nicht am Unfallort vorhanden sind. In einer chemischen Wirksamkeitsstudie wurden Gefahrstoff und Dekontaminations- (Dekon)-Agenz zu gleichen Teilen vermischt. Über einem Zeitraum von 15 Minuten wurde die Änderung des Redoxpotentials [mV], des pH-Wertes und der Temperatur [˚C] minütlich gemessen. Anschließend soll der aktive Wirkstoff in ein polymeres Verkapselungsmaterial integriert werden. Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, ist ein Fertigungsverfahren bei dem Materialschichten (Layer) nacheinander aufgetragen werden bis ein fertiges Produkt entstanden ist. Mit dem Fused Deposition Modeling-Filamentdruck ist die Realisierung von Wirkstoffreservoirs mit nahezu frei wählbarer Geometrie möglich. Mit einer Computer-Aided Design-Software wurden drei Kapseldesigns für den 3D-Druck entworfen. Die einwandigen Hohlkapseln sollen aus Polyethylenterephthalat mit Glykol-, Polycarbonat-, Polypropylen- und High Impact Polystyrole-Filament hergestellt werden. Der Einfluss der Druckparameter auf das Ergebnis wurde untersucht und daraus die optimalen Parameter für den Kapseldruck abgeleitet. Die leeren Kapseln wurden an einem Texture Analyzer untersucht, um die Korrelation zwischen den mechanischen Eigenschaften und der Druckfähigkeit zu bestimmen. Zusätzlich wurde der Einfluss einer UV-Aushärtung auf die mechanischen Eigenschaften der Kapseln untersucht.
Control improvement in Large-Area Top-Down GaN nanowire fabrication. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Herstellung von Nanodrähten hat aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt. In dieser Studie wurden zwei Ansätze zur Strukturierung im Nanomaßstab für die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten unter Verwendung der Metallentfeuchtung und der Nanosp̈harenlithografie untersucht, um GaN-Nanodraht-Ensembles mit einheitlicher Größenverteilung, Dimensionsmanipulation und großer Fläche zu erhalten.Die Methode der Metallentwässerung umfasst das kontrollierte Ausglühen eines dünnen Metallfilms, die Bildung von 3D-Inseln im Nanomaßstab und das Ätzen von oben nach unten. In dieser Arbeit wurde der Metallentwässerungsprozess erforscht und durch Variation von Parametern wie Glühtemperatur, Glühdauer, Metallfilmdicke und Oberflächenenergie der Entnetzung optimiert, um die gewünschte Nanodrahtgröße zu erreichen. Um die Dimension des hergestellten Nanodraht-Ensembles zu kontrollieren, wurde außerdem digitales Ätzen eingesetzt, um das Verhältnis zwischen Nanodrahtdurchmesser und -abstand zu manipulieren, das durch die Art der Entnetzung bestimmt wird. Dank der optimierten Entnetzungsparameter und des digitalen Ätzens zeigte die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten mit der durch Metallentnetzung gebildeten Maske eine gute Gleichmäßigkeit der Nanodrahtgröße über einen großen Bereich und einen breiten Bereich der Kontrolle über die Abmessungen. Zusätzlich zu den GaN-Nanodraht-Ensembles, die von oben nach unten durch Anwendung der Metallentwässerungsmaske hergestellt werden, wird auch die Nanosphärenlithografie (NSL) erforscht, bei der die Polystyrolkugel als Strukturierungsmaterial verwendet wird, um eine einheitlichere Dimension des GaN-Nanodraht-Ensembles als bei der Metallentwässerungsmethode zu erhalten. Die Abscheidung der Nanokugeln erfolgt mit Hilfe von Spin Coating- und Langmuir-Blodgett-Abscheidungsmethoden, die eine großflächige Monolayer-Abdeckung fördern. Ähnlich wie beim digitalen Ätzen, das für die Metallentwässerung entwickelt wurde, wurde ein Sauerstoffplasma-Ätzverfahren eingeführt, um den Durchmesser und den Abstand der Polystyrolkugeln zu verändern, deren Größe und Form von den hergestellten GaN-Nanodrähten übernommen werden kann. Obwohl das in dieser Arbeit hergestellte Nanodraht-Ensemble noch nicht den Idealfall erreicht hat, macht eine weitere Optimierung der Verarbeitung diese Herstellungsmethode vielversprechend für industrielle Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze zur Metallentnetzung und NSL einfache und skalierbare Vorteile gegen über den konventionellen Lithographiemethoden zur Herstellung von GaN-Nanodrähten mit kontrollierten Abmessungen bieten. Die Herstellung von Nanodrähten hat aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt. In dieser Studie wurden zwei Ansätze zur Strukturierung im Nanomaßstab für die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten unter Verwendung der Metallentfeuchtung und der Nanosphärenlithografie untersucht, um GaN-Nanodraht-Ensembles mit einheitlicher Größenverteilung, Dimensionsmanipulation und großer Fläche zu erhalten.Die Methode der Metallentwässerung umfasst das kontrollierte Ausglühen eines dünnen Metallfilms, die Bildung von 3D-Inseln im Nanomaßstab und das Ätzen von oben nach unten. In dieser Arbeit wurde der Metallentwässerungsprozess erforscht und durch Variation von Parametern wie Glühtemperatur, Glühdauer, Metallfilmdicke und Oberfl̈ achenenergie der Entnetzung optimiert, um die gewünschte Nanodrahtgröße zu erreichen. Um die Dimension des hergestellten Nanodraht-Ensembles zu kontrollieren, wurde außerdem digitales Ätzen eingesetzt, um das Verhältnis zwischen Nanodrahtdurchmesser und -abstand zu manipulieren, das durch die Art der Entnetzung bestimmt wird. Dank der optimierten Entnetzungsparameter und des digitalen Ätzens zeigte die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten mit der durch Metallentnetzung gebildeten Maske eine gute Gleichmäßigkeit der Nanodrahtgröße über einen großen Bereich und einen breiten Bereich der Kontrolle über die Abmessungen. Zusätzlich zu den GaN-Nanodraht-Ensembles, die von oben nach unten durch Anwendung der Metallentwässerungsmaske hergestellt werden, wird auch die Nanosphärenlithografie (NSL) erforscht, bei der die Polystyrolkugel als Strukturierungsmaterial verwendet wird, um eine einheitlichere Dimension des GaN-Nanodraht-Ensembles als bei der Metallentwässerungsmethode zu erhalten. Die Abscheidung der Nanokugeln erfolgt mit Hilfe von Spin Coating- und Langmuir-Blodgett-Abscheidungsmethoden, die eine großflächige Monolayer-Abdeckung fördern. Ähnlich wie beim digitalen Ätzen, das für die Metallentwässerung entwickelt wurde, wurde ein Sauerstoffplasma-Ätzverfahren eingeführt, um den Durchmesser und den Abstand der Polystyrolkugeln zu verändern, deren Größe und Form von den hergestellten GaN-Nanodrähten übernommen werden kann. Obwohl das in dieser Arbeit hergestellte Nanodraht-Ensemble noch nicht den Idealfall erreicht hat, macht eine weitere Optimierung der Verarbeitung diese Herstellungsmethode vielversprechend für industrielle Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze zur Metallentnetzung und NSL einfache und skalierbare Vorteile gegen über den konventionellen Lithographiemethoden zur Herstellung von GaN-Nanodrähten mit kontrollierten Abmessungen bieten. Die Herstellung von Nanodrähten hat aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt. In dieser Studie wurden zwei Ansätze zur Strukturierung im Nanomaßstab für die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten unter Verwendung der Metallentfeuchtung und der Nanosphärenlithografie untersucht, um GaN-Nanodraht-Ensembles mit einheitlicher Größenverteilung, Dimensionsmanipulation und großer Fläche zu erhalten. Die Methode der Metallentwässerung umfasst das kontrollierte Ausglühen eines dünnen Metallfilms, die Bildung von 3D-Inseln im Nanomaßstab und das Ätzen von oben nach unten. In dieser Arbeit wurde der Metallentwässerungsprozess erforscht und durch Variation von Parametern wie Glühtemperatur, Glühdauer, Metallfilmdicke und Oberflächenenergie der Entnetzung optimiert, um die gewünschte Nanodrahtgröße zu erreichen. Um die Dimension des hergestellten Nanodraht-Ensembles zu kontrollieren, wurde außerdem digitales Ätzen eingesetzt, um das Verhältnis zwischen Nanodrahtdurchmesser und -abstand zu manipulieren, das durch die Art der Entnetzung bestimmt wird. Dank der optimierten Entnetzungsparameter und des digitalen Ätzens zeigte die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten mit der durch Metallentnetzung gebildeten Maske eine gute Gleichmäßigkeit der Nanodrahtgröße über einen großen Bereich und einen breiten Bereich der Kontrolle über die Abmessungen. Zusätzlich zu den GaN-Nanodraht-Ensembles, die von oben nach unten durch Anwendung der Metallentwässerungsmaske hergestellt werden, wird auch die Nanosphärenlithografie (NSL) erforscht, bei der die Polystyrolkugel als Strukturierungsmaterial verwendet wird, um eine einheitlichere Dimension des GaN-Nanodraht-Ensembles als bei der Metallentwässerungsmethode zu erhalten. Die Abscheidung der Nanokugeln erfolgt mit Hilfe von Spin Coating- und Langmuir-Blodgett-Abscheidungsmethoden, die eine großflächige Monolayer-Abdeckung fördern. Ähnlich wie beim digitalen Ätzen, das für die Metallentwässerung entwickelt wurde, wurde ein Sauerstoffplasma-Ätzverfahren eingeführt, um den Durchmesser und den Abstand der Polystyrolkugeln zu verändern, deren Größe und Form von den hergestellten GaN-Nanodrähten übernommen werden kann. Obwohl das in dieser Arbeit hergestellte Nanodraht-Ensemble noch nicht den Idealfall erreicht hat, macht eine weitere Optimierung der Verarbeitung diese Herstellungsmethode vielversprechend für industrielle Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze zur Metallentnetzung und NSL einfache und skalierbare Vorteile gegen über den konventionellen Lithographiemethoden zur Herstellung von GaN-Nanodrähten mit kontrollierten Abmessungen bieten.
Efficient Preparation of 2D Materials for Energy Conversion. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Eigenschaften von zweidimensionalen (2D) Materialien unterscheiden sich erheblich von ihren massiven Gegenstücken, einschließlich ihrer kristallografischen Ausrichtung, Struktur sowie ihrer magnetischen, elektrischen, mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften. Abgesehen davon, dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für eine bessere katalytische Aktivität viel höher ist, können wir die Dicke der Nanomaterialien fein abstimmen, um ihre Eigenschaften zu verändern. Es ist von größter Bedeutung, Wege zu finden, um 2D-Materialien kostengünstig, einfach herzustellen und ungiftig zu produzieren. In diesem Bericht haben wir MoS2 und NiPS3 effizient exfoliert. Bei MoS2 haben wir massiven Gegenstücken durch Schleifen und Flüssigphasen-Exfoliation (LPE) mit Hilfe von Flüssig-N2 (L-N2) in einlagige dicke Nanoblätter exfoliert. Die mechanische Exfoliation mit einem Achatmörtel legt mehr aktive Stellen frei, indem sie Risse in der Masse erzeugt. Dies wird durch die schnellen Temperaturschwankungen aufgrund von L-N2 unterstützt, die zu einer Vergrößerung des Intraschichtabstands führen. Anschließend wird das Pulver beschallt, um das Material weiter aufzubrechen, und anschließend werden große und nicht aufgebrochene Partikel aus der Lösung entfernt. NiPS3 ist ein hervorragender Lichtabsorber; daher wollten wir diese Eigenschaft für die Wasserentsalzung nutzen. NiPS3 werden mit Hilfe eines MSESD-Verfahrens (Mix Solvents Exfoliation-Surface Deposition) abgeschieden, bei dem die Kristalle durch Mahlen mechanisch abgeschieden, später in einem 1:1-Verhältnis von Wasser und IPA beschallt und schließlich durch Zentrifugation von sedimentierten, nicht abgeschiedenen Partikeln befreit werden. NiPS3 ist in Wasser und Luft instabil; daher haben wir wässriges PVA auf NiPS3 aufgetragen, das in Wasser/IPA-Lösung verteilt war. REM- und AFM-Bilder, XRD- und Raman-Spektren bestätigen, dass die Dicke der gebildeten Nanoblätter 1-4 Monoschichten beträgt. Die HAADF-STEM- und HAADF-EELS-Aufnahmen zeigen eine homogene Verteilung des NiPS3/PVA-Nanokomposits auf einem leeren Schwamm. Von den verschiedenen Proben zeigte Ni10P1-s die besten Ergebnisse bei der photothermischen Umwandlung mit der geringsten Reflexion und der höchsten Absorption. Die Temperatur kann bei einer Sonnenbestrahlung innerhalb von 5 Minuten 57 ℃ erreichen. Ni10P1-s ist außergewöhnlich leicht und besitzt eine hohe Benetzbarkeit, so dass es sich selbst auf der Wasseroberfläche halten und Wasser leicht an die Oberfläche transportieren kann. Nach der Wasserentsalzung wurde die Ionenverschmutzung im Inneren um bis zu 3 Größenordnungen reduziert. Die Verdunstungsrate ist doppelt so hoch wie die eines leeren Schwamms, und bei neun Zyklen beträgt der zyklische Wirkungsgrad 93,5%. Ni10P1-s oder ähnliche Verbindungen mit hoher Absorption, niedrigem Reflexionsgrad und hoher Photokonversionseffizienz können eine Lösung zur Überwindung der Wasserknappheit und zur Erhöhung der Wasserversorgung sein. Die Entsalzung von salzhaltigem Meerwasser, das in den Meeren und Ozeanen in unendlicher Menge vorhanden ist, wird die ständig steigende Nachfrage nach Trinkwasser verringern.
Ortsaufgelöste Charakterisierung von Verkapselungsfolien für Solarzellen. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Photovoltaik (PV) liefert einen großen Beitrag zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und bildet eine Grundlage für Klimaneutralität in Deutschland. Umso entscheidender ist es, dass die gewährleistete Lebensdauer der PV-Module von über 25 Jahren erreicht wird und Ausfälle vermieden werden. PV-Module bestehen typischerweise aus Frontglas, Frontverkapselung, Silizium-zellen, Rückseitenverkapselung und Rückseitenfolie. Ein großer Teil der Modulausfälle ist auf das Verkapselungsmaterial zurückzuführen. Als Verkapselungsmaterial werden meist Ethylenvinylacetat-Copolymere (EVA) verwendet, welche mit Additiven versehen sind. Diese schützen das Basispolymer u. a. vor schädlicher UV-Strahlung. Sie haben daher einen maßgeblichen Einfluss auf das Degradations-Verhalten der Verkapselungsfolien und folglich auch auf die Lebensdauer des PV-Moduls. Trotz des großen Potentials für Grenzflächeneffekte und chemische Reaktionen im PV-Modul, werden das Verkapselungsmaterial und die Zusammensetzung der enthaltenen Additive seit fast 40 Jahren unverändert genutzt. Bisher sind jedoch sowohl die Wechselwirkungen im Modul als auch das Degradationsverhalten nur ungenügend erforscht. Um das Degradationsverhalten der Verkapselungsfolien in Abhängigkeit dieser Additive zu untersuchen, wurden Prüfkörperlaminate mit definierten Additiv-zusammensetzungen hergestellt. In diesem Zusammenhang war die Variation der Konzentrationen des UV-Absorbers und des UV-Stabilisators von besonderem Interesse. Um sowohl den Einfluss von Inhomogenitäten in der Additivverteilung als auch das Verhalten der Additive bei Vorhandensein eines Konzentrationsgradienten zu untersuchen, wurden die hergestellten Prüfkörper für 2000 h bei 65 ˚C, 20 % relativer Luftfeuchte und einer integrierten UV-Intensität von 81 W/m2 künstlich gealtert. Nachfolgend wurden an definierten Stellen der Prüfkörper Proben entnommen und vollständig charakterisiert. Mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie, Thermogravimetrischer Analyse und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie wurden die Polymereigenschaften des EVAs bestimmt. Nachfolgende Messungen mittels Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie dienten zur Ermittlung der absolute Additivverteilung. Abschließend wurden ortsaufgelöste 2D-Karten erstellt, welche die ermittelten Polymereigenschaften in Abhängigkeit von der Bewitterungszeit darstellen. Außerdem wurden die Additivwechselwirkungen innerhalb des Ver-kapselungsmaterials analysiert und ein Diffusionsschema angefertigt.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Im Zuge der internationalen Vernetzung der Staaten und Märkte durch die Globalisierung steigt das Bedürfnis nach Mobilität, was vor allem die Luftfahrtbranche in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich deutlich weiter wachsen lässt. Die Folgen des fortschreitenden Klimawandels fordern zunehmend auch die Luftfahrtindustrie zum Handeln auf. Um die langfristigen Klimaziele der EU zu erreichen, hat sich die Luftfahrtbranche mit der Unterzeichnung der “Erklärung von Toulouse“ die Klimaneutralität zum Ziel gesetzt. Auf dem Weg zum klimaneutralen Flugverkehr besteht ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wird aktuell der Fokus auf die energie- und ressourcenschonende Produktion von Großkomponenten gelegt. Innerhalb der Großkomponentenproduktion wird dabei besonders die Fertigungstechnologie des Klebens betrachtet. Im Vergleich zur konventionell genieteten Bauweise, erfordert die Blech-Blech-Klebung gegenwärtig die Autoklavtechnologie, die sehr zeit-, kosten- und energieintensiv ist. Als Teil des Forschungsprojektes befasst sich die vorliegende Master-Thesis mit der Erarbeitung eines energieeffizienten Out-of-Autoklav Prozesses. Im ersten Teil dieser Arbeit erfolgt die Auswahl einer energieeffizienten Heiztechnologie. Dazu werden Prozessanforderungen aufgenommen, Bewertungskriterien definiert und geeignete Bewertungsverfahren ausgewählt. Die Nutzwertanalyse in Kombination mit dem Analytischen-Hierarchie-Prozess ergibt, dass die Induktionserwärmung den anderen Erwärmungsmethoden vorzuziehen ist. Als Versuchsbauteil für eine seriennahe Erprobung der ausgewählten Heiztechnologie dient ein sphärisch gekrümmter Ausschnitt (˜ 1 qm) aus dem Hautfeld 10 des A321XLR. Im zweiten Teil der Arbeit wird mit den gewonnenen Erkenntnissen in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) eine Spezifikation für eine eigenbeheizte Werkzeugvorrichtung ausgearbeitet. Anschließend erfolgt die Lieferantenauswahl, das Einholen von Richtpreisangeboten und die Ausschreibung. Auf Basis der Richtpreisangebote werden erste Konzepte eigenbeheizter Werkzeugvorrichtungen erarbeitet. Um die Energieeinsparung der zukünftigen Out-of-Autoklav Heiztechnologie gegenüber der heutigen Autoklavtechnologie zu verifizieren, werden mit Hilfe eines virtuellen Autoklaven die Leistungskennzahlen der heutigen Autoklaven ermittelt. Für eine spätere Industrialisierung eines autoklavfreien Klebeprozesses werden abschließend Konzepte zum Druckaufbau, der Abkühlung und der thermischen Isolation skizziert. Die ausgearbeiteten Konzepte dienen als Basis für weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte.
Herstellung und Charakterisierung biobasierter Organobleche. - Ilmenau. - 125 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Faser-Kunststoff-Verbunde haben sich aufgrund ihrer gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften in zahlreichen Branchen als Standardwerkstoffe etabliert. Allerdings bringt das Verwenden dieser Werkstoffe eine große Menge an Abfallmaterial mit sich. Biokunststoffe bieten eine nachhaltige Alternative, um der steigenden Menge an Polymerabfällen entgegenzuwirken. Darum wird für diese Arbeit die Zielstellung gesetzt, vollkommen biobasierte Organobleche herzustellen und die Einflüsse der Herstellungsparameter auf diese zu untersuchen. Die Grundlage bildet dabei eine umfassende Literaturrecherche mit Augenmerk auf mögliche Verbundmaterialien, Herstellungsverfahren und Imprägnierungsmechanismen. Auf Basis der Literaturrecherche werden Vorversuche geplant und durchgeführt. Diese beinhalten PLA/Flachsfaser- und PP/Glasfaser-Verbunde, die durch Film-Stacking hergestellt werden. Da sich der verwendete PLA/Flachsfaser-Verbund nicht nach DIN EN ISO 1172 mittels Kalzinierung auswerten lässt, wird ein optisches Verfahren verwendet. Dieses wird anhand der PP/Glasfaser-Verbunde validiert. In den darauffolgenden Hauptversuchen werden PLA/Flachsfaser-Verbunde mittels Direktextrusion hergestellt. Dazu werden mehrere Versuche mit unterschiedlichen Herstellungsparametern durchgeführt. Die entstehenden Organobleche werden anschließend auf Faser- und Porengehalt sowie ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse werden abschließend in Zusammenhang mit den Parameterkombinationen evaluiert.
Fabrication and Ignition Characteristics Of Sputter Free Nano-foils Through Gas Phase Electrodeposition. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Reaktive Bimetall-Mehrfachschichten (Nanospulen) wurden zur Herstellung funktioneller Geräte, zur Verbindung von Metallen und zur Einleitung von Sekundärreaktionen verwendet, da sie bei lokaler Zündung gespeicherte chemische Energie freisetzen können. Dieser Artikel berichtet über einen neuen Ansatz für die Herstellung und den gezielten Aufbau von reaktiven Nanopartikel-Mehrschichtsystemen (Nanospulen) auf strukturierten dielektrischen Substraten, d. h. die Gasphasen-Elektroabscheidung. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden bei der Gasphasenelektroabscheidung Nanopartikel anstelle von Atomen verwendet, um bei Raumtemperatur und Druck dicht gepackte, mehrlagige Dünnschichten aus Pt/Al zu bilden. Dieses Mehrschichtsystem unterliegt exothermen, sich selbst ausbreitenden Reaktionen bei der Zündung. Die hohe Wärmefreisetzung wird durch zahlreiche Kontaktpunkte zwischen den beiden Schichten aus Metallnanopartikeln begünstigt. Pt- und Al-Partikel mit einer Größe von weniger als 10 nm werden durch kathodische Erosion von Metallelektroden in einem Strom aus reinem Stickstoffgas (Funkenablation) synthetisiert. Elektronenmikroskopische Untersuchungen werden durchgeführt, um eine Korrelation zwischen der Filmmorphologie, der bimetallischen Grenzfläche, der Oxidation der Nanopartikel und den sich selbst ausbreitenden Reaktionen herzustellen. Pt/Al-Doppelschichtstapel mit einer Gesamtdicke von 3 - 6 μm durchlaufen bei lokaler Zündung eine selbstausbreitende Reaktion mit einer Wellenfrontgeschwindigkeit von bis zu 10,71 mm/s. Solche Wellenfronten wurden mit Hochgeschwindigkeitsvideografie aufgezeichnet. Zwei exotherme Spitzen, die auf die Bildung einer Pt/Al-Legierung hindeuten, wurden in Kalorimetrie-Studien gefunden. Ein exothermer Peak bei 135 ºC mit einem höheren Heizwert von 150 mW/g und ein weiterer bei 400ºC mit einem Wärmestrom von 12 mW/g wurden ermittelt. Die Röntgenbeugungsstudie zeigt, dass es sich bei den Reaktionsprodukten um kubisches Al2Pt mit geringen Mengen an orthorhombischem Al6Pt und orthorhombischem AlPt2 handelt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Voruntersuchungen sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis von nanopartikulären reaktiven Systemen.