Studienabschlussarbeiten

Ziel dieser Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung von poröser C/C-SiC Keramik. Es wurde der Prozess identifiziert, der die beste Kombination aus mechanischen und akustischen Eigenschaften liefert. Hierzu wurden Archimedesmethode, Quecksilberporosimetrie, Pyknometrie, Bestimmung des Strömungswiderstands, Bestimmung des akustischen Reflexionskoeffizienten und 3-Punkt-Biegeversuch verwendet. Die Herstellung erfolgte über den LSI-Prozess. Es wurden Grünkörper über Heißpressen, Autoklav und Resin Transfer Moulding hergestellt und anschließend mit den gleichen Parametern pyrolysiert, siliziert und entsiliziert. Es werden zwei Heißpress-Proben mit gleichen Parametern hergestellt, eine Autoklav-Probe und zwei Resin Transfer Moulding-Proben mit unterschiedlichen Harzen hergestellt. Für die zweite Probe wird ein Harz verwendet, welches nach der Pyrolyse zu einer mikroporösen Matrix führt. Autoklav- und Resin Transfer Moulding zeigen gute Handhabbarkeit und Reproduzierbarkeit. Beim Heißpressen wird der vorgegebene Harzmassenanteil nicht erreicht. Dies führt zu Delaminationen in späteren Prozessschritten. Bei der Entsilizierung konnte gezeigt werden, dass ein höheres Oberfläche- zu Volumenverhältnis zu einer vollständigeren Entsilizierung und somit zu höherer offener Porosität führt. Bei der Charaktersierung zeigten die Heißpress-Proben höchste offene Porosität (33 %) und gröbste Porenstruktur. Autoklav- und Resin Transfer Moulding-Proben zeigen untereinander ähnliche, niedrigere offene Porositäten (19 %) und feinere Porenstrukturen. Der Strömungswiderstand ist tendenziell für die größte offene Porosität und größten Porendurchmesser am geringsten. Die akustischen Absorptionskoeffizienten können gesichert nur für Autoklav- (44 %) und eine der Resin Transfer Moulding-Proben (51 %) ermittelt werden. Dies beschränkt die abschließende Bewertung auf diese beiden Proben. Bei den mechanischen Eigenschaften zeigen die Heißpress-Proben die höchste Biegefestigkeit (69 %) Die Resin Transfer Moulding-Probe mit mikroporöser Matrix zeigt mit niedrigster Biegefestigkeit (26 %) und höchstem E-Modul (55 GPa) stärker monolithischen Charakter. Die Autoklav- und die verbleibende Resin Transfer Moulding-Probe zeigen untereinander ähnliche Biegefestigkeiten (55 MPa) und Elastizitätsmodule (42 GPa) Abschließend konnte Resin Transfer Moulding ohne mikroporöses Harz als Prozess mit der besten Kombination aus akustischen und mechanischen Eigenschaften identifiziert werden.

Jedes Jahr leiden Millionen von Menschen an Knochendefekten infolge von Traumata, Tumoren oder knochenbedingten Verletzungen. Daher besteht die Notwendigkeit, ständig neue Materialien zu entwickeln oder die Eigenschaften der derzeit verwendeten Materialien für Knochenersatz oder Implantatanwendungen zu verbessern. Polymethylmethacrylat (PMMA) hat sich als Material für Implantate als vielversprechende Alternative erwiesen; Es gibt jedoch immer noch einige Einschränkungen, die diesem Material inhärent sind, insbesondere in Bezug auf seine Oberflächeneigenschaften. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von Hydroxylapatit (HAp) -Dünnfilmen auf der Oberfläche von 3D-gedruckten PMMA-Substraten. Das 3D-Drucken, insbesondere das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling), wurde zur Herstellung von PMMA-Substraten mit unterschiedlichen Oberflächenporositätsgraden verwendet. Die FDM-Technik weist das Potential zur Herstellung von maßgeschneiderten Freiformstrukturen für verschiedene Anwendungen auf, einschließlich der kraniofazialen Rekonstruktion. HAp-Dünnfilme wurden mittels Radiofrequenz-Magnetron-Sputtern (RFMS) und Ionenstrahl-Sputtern (IBS) -Techniken mit einem kommerziellen Target bzw. einem "in-house" gesinterten Target abgeschieden. Eine strukturelle, chemische, mechanische und morphologische Charakterisierung wurde in den erzeugten Oberflächen mittels Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersiver Spektroskopie (EDS) und Härte- und Rauheitsmessungen durchgeführt. Die Ergebnisse der XRD-Analyse zeigten eine amorphe Struktur für die Filme, die sowohl durch RFMS- als auch IBS-Techniken auf den PMMA-Substraten hergestellt wurden. Die durch SEM erhaltenen mikroskopischen Aufnahmen zeigten eine Säulenmorphologie und eine niedrige Dichte für die durch RFMS hergestellten Filme; Die gleiche Technik zeigte eine Struktur von Stegen von stehenden Plättchen mit gekrümmten Konturen für die abgeschiedenen IBS-Filme. Die amorphe Struktur und die Morphologie der Filme sowie die Härte und Rauheit können günstig sein, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern und die Osseointegrationsfähigkeiten von PMMA zu fördern. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines PMMA-Implantationsherstellungsverfahrens unter Verwendung von 3D-Druck- und HAp-Filmdepositionstechniken mit verbesserten Osseointegrationseigenschaften.

In der vorliegenden Arbeit wurden undotierte Zinnoxidschichten mittels Atmosphä-rendruckplasmajet (APPJ) auf Glas- und Siliziumsubstrate abgeschieden. Als Precursor wurde Tetrabutylzinn (TBT) verwendet und mit Hilfe einer Aerosolerzeugereinheit in den Plasmastrahl eindosiert. Die Einflüsse der Auftragsanzahl und der Substrattemperatur auf die Schichteigenschaften wurden untersucht. Die Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgte mittels 4-Punkt-Messung. Um die Transmission und die optischen Bandlücken zu ermitteln, kam UV-Vis-Spektroskopie zum Einsatz. Die Schichtdicken sowie optische Eigenschaften wurden mit Hilfe der Spektralellipsometrie analysiert. Die Charakterisierung von Schichtaufbau und Morphologie erfolgte auf Grundlage von REM-, AFM- und TEM-Untersuchungen. Zusätzlich fand die Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit anhand von Lichtmikroskopie, Profilometrie und Kontaktwinkelmessung statt. Basierend auf GI-XRD-Untersuchungen wurden Struktur, Textur und Korngröße der Zinnoxidschichten bewertet. Bei Substrattemperaturen unter 300 ˚C auf Si abgeschiedene SnOx-Schichten bestehen aus einem 20 bis 30 nm dicken, relativ dichten und feinkörnigen Film, der mit steigender Entfernung von der Substratoberfläche in ein poröses Gerüst aus Partikelaggregaten und -clustern übergeht. Mit steigender Substrattemperatur verdichtet sich die Schicht, die scharfkantigen Partikel runden sich deutlich ab und lagern sich dichter zusammen. Für die APPJ-Schichten auf Glassubstraten konnte kein Zusammenhang zwischen Substrattemperatur oder Anzahl der Beschichtungsdurchläufe und spezifischem Widerstand festgestellt werden. Er schwankt zwischen 0,01 [Omega]cm und 0,4 [Omega]cm und ist etwas geringer als die Widerstände der durch Sputtern hergestellten Vergleichs-SnOx-Schichten (0,15 1,5 [Omega]cm). Die Schichten sind überwiegend röntgenamorph bzw. nanokristallin. Ansätze von Röntgenpeaks zeigen sich erst ab einer Substrattemperatur von 500 ˚C. Der Leitsilberlack, der zur Substratfixierung bei hohen Temperaturen verwendet wurde, induziert eine Kristallisation bzw. Umkristallisation der SnO2-Schicht. Sie setzt unmittelbar nach dem Abscheidevorgang auf beheizten Substraten ein und wird durch die Abkühlung auf Raumtemperatur unterbrochen. Hierbei bilden sich komplexe und stark verzweigte Kristalle in einem kurzen Zeitraum, was auf ein thermodynamisches Ungleichgewicht in den abgeschiedenen Schichten hindeutet.

Für den Großteil der technischen Anwendungen von Quarzglas ist es notwendig, dass dieses von höchster Reinheit ist. Dazu muss die Abreicherung von den Verunreinigungen im Rohstoff in der Rohstoffaufbereitung weiter verbessert werden. Als klassisches Aufbereitungsverfahren gibt es die Heißchlorierung. Dabei werden viele der Verunreinigungen durch eine chemische Reaktion mit chlorhaltigem Gas bei hohen Temperaturen aus dem Granulat ausgetrieben. Nach dem aktuellen Stand der Technik gibt es zwei weit verbreitete Verfahren dazu: die Heißchlorierung im Drehrohrofen und die Heißchlorierung im Fließbettofen. Bei diesen Methoden ist die Abreicherung der verunreinigenden Begleitelemente an der Oberfläche der Körner effektiv und gut dokumentiert. Die Carbochlorierung soll nun eine mögliche weitere Alternative zu den klassischen Aufbereitungsverfahren darstellen. In dieser Ausarbeitung geht es darum herauszufinden, inwieweit eine Carbochlorierung beziehungsweise eine Chlorierung mit gekoppelter Reduktion die Abreicherung von Verunreinigungen beeinflusst. Dabei soll herausgefunden werden, ob diese Methode überhaupt wirksam ist. Ist dies der Fall, sollen Aussagen getroffen werden ob die Abreicherung absolut oder spezifisch für bestimmte Elemente abläuft. um den optimalen Durchfluss des Reinigungsgases Chlorwasserstoff zu ermitteln, ist es notwendig verschiedene Referenzversuche durchzuführen. Mit diesem werden dann Untersuchungen zur Carbochlorierung in Hinblick auf das eingesetzte Reduktionsmittel (Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff, Mischung der beiden) und die vorliegenden Prozesstemperatur (800˚C, 1000˚C oder 1250˚C) realisiert. Es werden vergleichende Untersuchungen zwischen kristallinem und amorphem Ausgangsmaterial angestellt um deren Verhalten bei der Heißchlorierung zu charakterisieren. Zusätzlich soll mit gezielt dotiertem Granulat der Einbau dieser Verunreinigungen in die Quarzrohstoffstruktur analysiert werden. Aus zeitlichen Gründen musste jedoch bei dieser Ausführung auf die Auswertung dieser Versuche verzichtet werden. All dies dient der Verständnisgewinnung für die ablaufenden Vorgänge bei der Chlorierung von Quarzsanden in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Gasangebot und der Bindungssituation um am Ende die Frage beantworten zu können: Führt eine Carbochlorierung zu einem effizienteren Abreicherungsprozess? Die Untersuchungen haben ergeben, dass die Carbochlorierung keine effizientere Alternative zur herkömmlichen Heißchlorierung darstellt. Durch die Behandlung mit den Reduktionsgasen konnten keine besseren Ergebnisse erzielt werden, als bei der Behandlung ohne zusätzliche Reduktion. Dabei konnten keine größeren Unterschiede zwischen den zwei verschiedenen Behandlungsarten festgestellt werden. Es ist möglich mit dem Zusatz von Wasserstoff bei sehr hohen Temperaturen den Eisengehalt weiter zu senken, jedoch ist dann die Natriumabreicherung schlechter. Hinzu kommt, dass mit dem Einsatz von Wasserstoff eine genauere Prozesskontrolle erforderlich ist. Bei den hohen Temperaturen muss die Wasserstoffverbrennung überwacht werden.

Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung und Untersuchung zylindrischer Formkörper und Knie-Demonstratoren für die Behandlung von Kniegelenkschäden. Die Bauteile werden mittels dem additiven Fertigungsverfahren lithography-based ceramic manufacturing (LCM) erzeugt. Weitere Bestandteile dieser Arbeit sind das Erarbeiten eines thermischen Regimes zur Herstellung dieser Bauteile und die Herstellung einer Suspension zur Schlickerentwicklung. Die Auswirkung des Herstellungsprozesses auf die zylindrischen Formkörper wird durch die Vermessung der Bauteile, Gründichte und Schwindung betrachtet. Untersuchungen durch die [my]-CT, FE-REM, XRD und chemische Analyse lieferten Informationen über das gesinterte Bauteil, sowie die Druckfestigkeitsuntersuchung über die mechanischen Eigenschaften. Die Untersuchung der Knie-Demonstratoren ist eine erste Bestandsaufnahme. Gemessen werden Sinterdichte, Maße, Winkel, Kontur und Rauheit. Da die organischen Zusätze für die zylindrischen Formkörper und Knie-Demonstratoren verschieden sind, wird an je einem thermischen Regime gearbeitet. Die Herstellung der Suspension dient einer Schlickerentwicklung und der Weiterentwicklung additiver Fertigungsverfahren.