Dissertationen und Habilitationen

Diese wissenschaftliche Arbeit behandelt die Ermüdungsfestigkeit von autofrettierten Bauteilen aus Kugelgraphitguss EN-GJS unter Innendruck-Schwellbeanspruchung. An Bauteilproben mit einer 90˚-Bohrungsverschneidung aus EN-GJS-400-18, EN-GJS-500-7 und EN-GJS-600-3 wurden die Bauteil-Wöhlerlinien in Einstufenversuchen bei den Spannungsverhältnissen R ˜ 0 und R = 0,5 ermittelt und die Druckfestigkeitssteigerung durch die Autofrettage bestimmt. Weiter wurden Innendruckschwell-Zweistufenversuche bei konstantem Maximaldruck durchgeführt, um den Schädigungseinfluss (Omission-Level) von kleinen Schwingspielen auf die Druckfestigkeit dieser Bauteile zu bewerten. Auf der Basis des Kerbdehnungs-Berechnungskonzepts wurden die vollständigen Anriss-Wöhlerlinien der nicht autofrettierten und autofrettierten Bauteilproben berechnet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Die hier eingehenden Werkstoffkennwerte ergaben sich aus statischen Zugversuchen und dehnungs-kontrollierten Schwingversuchen an nicht gekerbten Zugstäben. Für die nicht autofrettierten Bauteile wurde zusätzlich mit dem Konzept der Synthetischen Wöhlerlinien die Bruch-Wöhlerlinie konstruiert und den Ergebnissen aus den Innendruckschwell-Einstufenversuchen gegenübergestellt.

In dieser Dissertation werden physikalische und technische Grenzwerte für die Miniaturisierung neuartiger photoakustischer Gassensoren untersucht. In Erweiterung zu existierenden Arbeiten auf dem Gebiet miniaturisierter photoakustischer Gasdetektoren wird hier ein komplexes mathematisches Modell entwickelt, welches physikalische, technische und Umweltbedingungen als spezifische Parameter berücksichtigt. Das Model berücksichtigt sowohl den Zeit- als auch Frequenzbereich. Es kombiniert die zwei traditionellen Modellierungsansätze der ratengleichgewichtsbasierten Zeitbereichsuntersuchung nichtresonanter akustischer Systeme und wellengleichungsbasierten Frequenzbereichsanalyse akustischer Resonatoren. Die Äquivalenz dieser Betrachtung zu bestehenden Modellen kann gezeigt werden. Als wesentlicher Vorteil gegenüber diesen Modellen bietet der hier gezeigte Ansatz jedoch den Vorteil, die eingeführten Parameter entkoppelt voneinander über einen breiten Variationsbereich betrachten zu können. Mit diesem erweiterten Modell werden komplexe System- und Verhaltenssimulationen möglich.Währen in den existierenden Arbeiten zur Photoakustik nur Reingase betrachtet werden, untersucht diese Dissertation den Einfluss der Interaktion unterschiedlicher Moleküle und führt dies als Parameter in das theoretische Model ein. Sowohl in simulierten als auch experimentellen Untersuchungen wird gezeigt, dass die zu beobachtenden Effekte in solchen Gasgemischen für die Verbesserung der Sensitivität und Selektivität neuartiger Gassensoren nutzbar sind. Es wird demonstriert, wie durch die Verwendung moderner Technologien und Prozesse aus der Mikrosystemtechnik zuverlässige und leistungsfähige Gasdetektoren ermöglicht werden. Die in dieser Arbeit entwickelten und umgesetzten Konzepte berücksichtigen dabei schon im Ansatz die Bedürfnisse einer preisbewussten Massenfertigung und potentielle Anwendungen. Schließlich werden diese Detektoren zusammen mit ebenfalls neuartigen mikromechanischen Emittern in einem integrierten Sensorkonzept untersucht. Die verbesserten Eigenschaften dieses Demonstrators können im Vergleich zu verfügbaren, vergleichbaren Sensoren nachgewiesen werde.In Kapitel 1 wird der gegenwärtige Entwicklungsstand der Photoakustik im Allgemeinen betrachtet. Weiterhin werden konkurrierende Detektortypen vorgestellt. In Kapitel 2 folgen eine theoretische Betrachtung der Grundlagen des photoakustischen Effekts sowie die Entwicklung des parametrischen Modells. Die Vergleichbarkeit zu existierenden Modellierungsansätzen wird gezeigt. Der Aufbau einer experimentellen Plattform, die Evaluierung des parametrischen Modells und die Untersuchung verschiedener Einflussfaktoren auf das Sensorverhalten sind Gegenstand des Kapitels 3. Es wird ebenfalls eine spezifische Methodik entwickelt, um typische Parameter wie Sensitivität, rauschäquivalente Leistung und Detektivität zu bestimmen. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse und Nutzung moderner Methoden der Mikrosystemtechnik werden in Kapitel 4 schließlich Konzepte für miniaturisierte photoakustische Detektoren entwickelt und umgesetzt. Da die messbare Gasempfindlichkeit eines Detektors letztlich auch vom Messaufbau abhängt, wird an dieser Stelle das integrierte Sensorkonzept vorgestellt, umgesetzt und untersucht. Im abschließenden Kapitel 5 werden die in dieser Arbeit entwickelten Detektor- und Sensorkonzepte mit jenen konkurrierenden Systemen verglichen, welche in Kapitel 1 beschrieben wurden. Weitere Entwicklungs- uns Anwendungsmöglichkeiten bieten einen Ausblick auf die Zukunft der photoakustischen Gasdetektion.

Gegenstand der Arbeit ist die galvanische Chromabscheidung aus verfahrens- und werkstofftechnischer Sicht. Dies bezieht sich auf die Abscheidung aus verschiedenen sechswertigen Chromelektrolyten mit und ohne Zusatz von keramischen nanoskaligen Partikeln und die Abscheidung aus dreiwertigen Chromelektrolyten. Die theoretischen verfahrenstechnischen Hintergründe der einzelnen Systeme werden dargestellt. Das Augenmerk liegt aber auch auf experimentellen Untersuchungen. Bei deren Auswertung werden grundsätzlich festkörperphysikalische und makroskopische, also den Anwender interessierende Eigenschaften, unterschieden. Im Einzelnen werden die Aspekte Textur, Korngröße, Wasserstoffgehalt, Härte, Risszahl, innere Spannungen und Stromausbeute dargestellt und in Abhängigkeit von den Verfahrensparametern interpretiert. Die Eigenschaften werden dabei nicht nur als einzelnes, sondern in Korrelation zueinander erfasst. Bekannte Phänomene und Zusammenhänge können teilweise bestätigt werden. Andere Zusammenhänge werden aus neuen Blickwinkeln dargestellt, hinsichtlich einiger Aspekte können gänzlich neue Erkenntnisse dargestellt werden.

PZT-Fasern können über verschiedene Verfahren in einem breiten Durchmesserspektrum hergestellt werden (5 æm bis 1000 æm). Während des Sinterprozesses von PZT-Materialien kommt es zum Verdampfen von Bleioxid. Es ist daher zu erwarten, dass bei gleichen Sinterbedingungen der Durchmesser einen Einfluss auf die mikrostrukturellen und dadurch auch auf die elektromechanischen Eigenschaften der Fasern hat. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Durchmessers extrudierter Grünfasern im Bereich zwischen 70 æm und 300 æm und damit des Oberflächen/Volumen-Verhältnisses auf das Gefüge und die daraus resultierenden ferroelektrischen Eigenschaften keramischer PZT-Fasern untersucht. In Abhängigkeit vom Durchmesser und den Sinterparametern (Temperatur, Zeit) konnten für Fasern, die in einer PbO-reichen Atmosphäre gesintert wurden, folgende Zusammenhänge gefunden werden: Fasern mit kleineren Abmessungen können bei niedrigeren Temperaturen und kürzeren Haltezeiten dicht gesintert werden und weisen bei höheren Temperaturen und längeren Haltezeiten ein ausgeprägtes Kornwachstum auf. Bei gleichen Sinterbedingungen bestehen dünnere Fasern außerdem aus einem höheren Anteil an rhomboedrischer Phase. Gleichzeitig ändert sich die Phasenzusammensetzung über den Faserdurchmesser. Der Anteil an rhomboedrischer Phase nimmt von außen nach innen ab, der an tetragonaler Phase zu. Im Hinblick auf den Einfluss der Porosität, der Korngröße und der Phasenzusammensetzung auf die ferroelektrischen Eigenschaften der Fasern konnten die aus der Literatur bekannten Abhängigkeiten bestätigt werden. Für die technische Umsetzung bedeutet dies, dass beim Sintern in einer PbO-reichen Atmosphäre die Sinterparameter an die jeweiligen Faserdurchmesser angepasst werden müssen, um die optimalen ferroelektrischen Eigenschaften für die jeweiligen Faserabmessungen erzielen zu können.