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Some aspects in lifetime prediction of power semiconductor devices
Get PDFPower electronics, which fully covers the generation, conversion, transmission and usage of electrical energy, is a key technology for human welfare. With the development of technologies, the requirements on the reliability of power electronic systems are keep increasing. Long term operation under harsh environments is often accompanied by higher switching frequency and higher power density. To allow a reliable and sustainable performance of the power electronic systems, precise lifetime estimation of the power semiconductor devices is of significant importance. This work covers some aspects in the lifetime prediction of power semiconductor devices, especially IGBT and diode, in power module and transfer-molded discrete package. Difference in device temperature determination was illustrated using analytical calculation, simulation and measurement. In addition, temperature calculation in the frequency domain was demonstrated which gives benefits in the application with several hundred devices. Furthermore, different control strategies in the power cycling test were compared. The linear cumulative damage theory was validated by using the power cycling test. For the high power IGBT module used in the MMC HVDC application, power cycling lifetime with 50 Hz heating processes was investigated. For the transfer-molded discrete package, the first lifetime model with comparable scope like the lifetime model of power modules was proposed.Leistungselektronik, welche direkt relevant für die Erzeugung, Umwandlung, Übertragung und Nutzung elektrischer Energie ist, ist eine Schlüsseltechnologie für das Wohl der Menschen. Mit der Entwicklung von Technologien steigen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit leistungselektronischer Systeme. Der Langzeitbetrieb unter rauen Umgebungsbedingungen geht häufig mit einer höheren Schaltfrequenz und einer höheren Leistungsdichte einher. Um eine zuverlässige und nachhaltige Operation der leistungselektronischen Systeme zu ermöglichen, ist die genaue Lebensdauerabschätzung der Halbleiter-Leistungsbauelemente von großer Bedeutung. Diese Arbeit befasst sich mit einigen Aspekten der Lebensdauerabschätzung von den Halbleiter-Leistungsbauelementen. Unterschied in der Temperaturabstimmung der Halbleiter-Leistungsbauelemente wird anhand von Berechnung, Simulation und Messung veranschaulicht. Darüber hinaus bietet die Temperaturberechnung im Frequenzbereich Vorteile bei der Anwendung mit mehreren hundert Bauelementen. Darüber hinaus wurden verschiedene Regelstrategien im Lastwechseltest verglichen. Die lineare kumulative Alterungstheorie wurde unter Verwendung des Lastwechseltests validiert. Für das in der MMC-HGÜ-Anwendung verwendete Hochleistungs-IGBT-Modul wurden Alterungsprozesse bei 50 Hz Erwärmung untersucht. Für das Diskrete-Gehäuse wird das erste Lebensdauermodell vorgestellt, welches ein vergleichbares Anwendungsbereich wie das Lebensdauermodell von Leistungsmodulen hat
Analysis of manufacturing processes for metallic and composite bipolar plates
No full textFuel cells are an excellent opportunity to address the challenges of the energy supply of the future. The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) stack consists of several core components such as the bipolar plates (BPP) and membrane electrode assembly (MEA).
BPPs have an influence on stack dimensions, performance and lifetime as well as costs. The challenge is to design an optimal BPP for specific applications, considering the manufacturing effort and costs. Basically, two material concepts are currently available: polymer composite materials or metals. Compared to metallic BPPs, polymer-based BPPs show a longer service life and allow a high geometrical flexibility. Metallic BPPs possess a very thin overall thickness which makes them preferable for use in commercial automotive sector. Depending on the base material, different manufacturing processes are required. This article presents a comparison and an assessment of BPPs regarding possible manufacturing processes as well as resulting costs
Cost-efficient and reach-compliant surface treatment of bipolar plates
Get PDFIn fuel cells, stacks of several hundred bipolar plates are combined in membrane electrode assemblies, in which the electrochemical reactions take place. As a result, it must be possible to produce the bipolar plates cost-efficiently. In addition, the corrosion resistance in the surrounding medium and the electrical conductivity have to be sufficiently high. As stainless steels show passivation over time, more expensive materials, like graphite or noble-metal coatings, are used. This paper describes an alternative coating, which can fulfil the above-mentioned requirements. Using electroplating, Cr coatings with thicknesses > 20 µm can be deposited at low costs and REACH compliant. Subsequently, the Cr layers are gas nitrided resulting in a dense Cr-N coating with electrical and corrosion properties exceeding the ones of common stainless steels. Using this new approach, well-performing fuel cells could be produced cost-efficiently
Experimentelle Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit schüttfähiger Wärmedämmstoffe für thermische Energiespeicher
Get PDFIm Rahmen dieser Arbeit erfolgte der Aufbau eines neuartigen Versuchsstandes zum praxisnahen Test von Wandaufbauten (VS-WA; Probendimension: 1,9 m x 1,9 m x 0,5 m). Mit dem VS sind praxisnahe Untersuchungen von Dämm- und Dichtstoffen sowie Wandsegmentmaterialien thermischer Energiespeicher in einer Einheit durchführbar. Aufgrund der drehbaren Lagerung des VS ist es möglich, vertikale (Wandbereich) und horizontale (Deckenbereich) Aufbauten zu untersuchen. Mit dem VS erfolgt eine experimentelle Bestimmung von effektiven Wärmeleitfähigkeiten zweier aussichtsreicher Wärmedämmstoffe (Polyurethan-Granulat und expandierte Polystyrol-Partikel). Die Untersuchungsergebnisse zeigen für den vertikalen Betrieb des VS eine erhöhte effektive Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den Stoffwerten der Hersteller. Der Grund hierfür ist, basierend auf der Auswertung von Temperaturprofilen, ein signifikanter Anteil an freier Konvektion. Dies ist trotz niedriger Permeabilitäten der untersuchten Schüttgüter und demnach entgegen dem aktuellen Stand der Wissenschaft der Fall. Ohne den neuen VS mit den hier realisierten Maßen, wären diese Effekte nicht messbar gewesen (z. B. bei Untersuchungen mit Ein- oder Zwei-Platten-Apparaturen). Die Ergebnisse können dazu beitragen, erhöhte Wärmeverluste an realen Bauwerken zu erklären und zu vermeiden.Within the context of this thesis, a new test rig for the practical testing of wall structures (VS-WA; sample size: 1.9 m x 1.9 m x 0.5 m) was set up. With the test rig, practical investigations of insulating and sealing materials as well as wall segment materials of thermal energy stores are possible in one unit. Since the test rig is pivoted it is also possible to examine vertical (wall area) and horizontal (ceiling area) structures. The present thesis deals with the experimental determination of the effective thermal conductivity of two promising thermal insulation materials (polyurethane granulate and expanded polystyrene particles). The test results show an increased effective thermal conductivity for the vertical orientation of the VS-WA compared to the material properties given by the manufacturers. The reason for this is, based on the evaluation of temperature profiles, a significant portion of free convection. This is the case despite low permeabilities of the bulk materials investigated and thus contrary to the current state of scientific knowledge. Without the new test rig with the dimensions realized here, the discovered effects could not have been observed (e.g. investigations with one- or two-plate apparatuses). The results can contribute to explain and avoid increased heat losses in real building structures
Untersuchungen am koaxialen Getriebe „HypoGear“
No full textAuf der Suche nach immer kompakteren koaxialen Getrieben für kleine Antriebe steht eine neue Bauweise bereit. Der Foliensatz stellt kurz die Baugruppen eines solchen Getriebes vor und klärt über einige der Herausforderungen auf, die die Entwicklung beeinflussen. Weiterhin wird auf die Berechnung der verbauten Hypoidzahnradstufe eingegangen. Die Berechnung der Zahngeometrie ausgehend von den Wälz-Gleit-Körpern wird losgelöst von den Einschränkungen betrachtet, die herkömmliche Serienfertigungsverfahren mit sich bringen. Ausblickend werden die Entwicklungsschritte umrissen, die zunächst zum Prototyp und darüber hinaus zur Serienreife führen
Nachgiebige Gleitlager
Get PDFWirtschaftliche und ökologische Rahmenbedingungen zwingen die Forschung immer weiter, die Betriebseigenschaften von Maschinenelementen zu verbessern. Für hydrodynamische Gleitlager wird die Abweichung der zylindrischen Form untersucht, um gezielt Betriebsparameter zu begünstigen. Untersuchungen mit ALP3T dienen der Ermittlung lastfallabhängiger Vorzugsgeometrien. Weiterführende Simulationsuntersuchungen mit Creo Simulate ermöglichen im Anschluss die praxisnahe Formgenerierung. Eine Überführung der Ergebnisse zwischen den beiden Programmen liefert die lastfall- und formabhängigen Betriebsparameter des Gleitlagers. Mit Hilfe der Kopplung können in iterativen Simulationsschritten Fehler reduziert und somit lastfallspezifische Lagergeometrien präsentiert werden. Ferner lässt sich für das Gleitlager ein Demonstrator konzipieren, der diese Lagergeometrien aufbringt
Informal Leadership in Teams: Multilevel Perspectives on Perception and Behavior
Get PDFFührung gilt als zentraler Einflussfaktor auf den Erfolg von Organisationen und Arbeitsgruppen. Im Gegensatz zu formalen Führungskräften, welche sich meistens in einer hierarchisch höhergestellten Leitungsposition innerhalb der Organisation befinden und meist von der Organisation mit einem gewissen Maß an Macht oder Autorität ausgestattet sind, entwickelt sich die informelle Führung durch das Verhalten der Teammitglieder untereinander und manifestiert sich in der interpersonalen Wahrnehmung. Informelle Führungsstrukturen haben Auswirkungen auf die Leistung von und Zufriedenheit in Teams. Damit jedoch Organisationen und Arbeitsgruppen von informellen Führungsstrukturen profitieren können, sind wissenschaftliche Erkenntnisse zu den genauen Antezedenzien, Wirkmechanismen und Bedingungen ihrer Entwicklung unabdingbar. Trotz der umfangreichen empirischen Evidenz zu den Antezedenzien und Auswirkungen informeller Führung, sind grundlegende Fragen zu den interpersonellen und intrapersonalen Prozessen noch unbeantwortet.
Diese Dissertation leistet einen Beitrag zur informellen Führungsforschung durch die Analyse dynamischer Zusammenhänge objektiven, sowie subjektiv wahrgenommenen Verhaltens und der Wahrnehmung von Führung in Arbeitsgruppen. Die Kapitel der Dissertation stützen sich dabei auf drei zentrale theoretische Ansätze: Evolutionäre Führungstheorie, Theorien zur geteilten Führung, sowie Informationsverarbeitungstheorie.
Das erste Kernkapitel der Dissertation stellt eine Integration und Synthese relevanter theoretischer Ansätze zu Verhalten und Führung in Arbeitsgruppen dar. Das zweite Kernkapitel befasst der Rolle kognitiver Schemata in der individuellen Wahrnehmung der informellen Führungsstruktur und der eigenen interpersonalen Kommunikation.:List of Tables 4
List of Figures 5
Abstract 6
Zusammenfassung 9
1. Introduction 13
1.1. Relevance 13
1.2. Research Objectives 15
1.3. Dissertation Structure 17
2. Core Constructs and Conceptual Clarifications 18
3. Theoretical Framework 19
3.1. Evolutionary Leadership Theory 20
3.2. Shared Leadership Theory 22
3.3. Information Processing Theories 23
4. Methodological Framework 28
4.1. Social Network Analysis 28
4.2. Temporal Dynamics of Social Networks 31
5. Status Quo of Research 33
5.1. Antecedents of Informal Leadership in Teams 34
5.1.1. Antecedents of team-level informal leadership structures 34
5.1.2. Individual (ego)-level predictors of informal leadership perceptions 35
5.1.3. Dyadic-level antecedents of informal leadership perceptions 36
5.2. Observable Behavior and Informal Leadership Perceptions 37
5.3. Longitudinal Developments: Stability and Change of Informal Leadership Perceptions 39
6. Overview of the Research Program 41
7. Observing Leadership as Behavior– An Evolutionary Approach to Theory and Research on Team-Level Leadership Structures 44
7.1. Introduction 46
7.2. Shared Leadership in Teams: The Role of Interpersonal Behavior 48
7.3. Propositions 52
7.4. Leadership Assessment in Ethology 57
7.5. Leadership as Dyadic Ties: Implications for the Assessment of Behavior-based Networks 59
7.5.1. Behavior directions 60
7.5.2. Interpersonal behavior sequences 63
7.5.3. Compiling dyadic behavior to the group level 66
7.6. Discussion 67
7.6.1. Theoretical implications 67
7.6.2. Methodological implications 69
7.6.4. Practical implications 70
7.6.5. Limitations and outlook 71
8. Perceiving Leadership in Teams: The Effects of Cognitive Schemas and Perceived Communication 73
8.1. Introduction 75
8.2. Individual Perceptions of Leadership in Team 77
8.3. Individual Differences and Perceptions of Leadership in Teams 79
8.4. Leadership Structure Schemas 80
8.5. The Mediating Role of Perceived Communication 82
8.6. The Moderating Role of Affective Motivation to Lead 84
8.7. Overall Model 87
8.8. Method 88
8.8.1. Sample 89
8.8.2. Measures 89
8.9. Results 92
8.9.1. Descriptive analysis 92
8.9.2. Analytical approac 93
8.9.3. Hypotheses testing 95
8.10. Discussion 100
8.10.1. Implications for research 101
8.10.2. Practical implications 104
8.10.3. Limitations 105
9. Adapting Leadership Perceptions across Tasks: Micro-Origins of Informal Leadership Transitions 106
9.1. Introduction 108
9.2. Informal Leadership in Teams 110
9.3. Stability and Change of Informal Leadership Perceptions 113
9.4. How do Leadership Perceptions Change? Social Interactions as Micro-Processes 114
9.5. When do Leadership Perceptions Change? The Role Perceived Shifts in Competence Allocation 117
9.6. Methods 121
9.6.1. Overview and sample 121
9.6.2. Baseline assessment (T0) 122
9.6.3. Laboratory measurement (T1) 122
9.7. Results 127
9.7.1. Descriptive analyses 127
9.7.2 Analytical approach 129
9.7.3. Tests of hypotheses 131
9.8. Discussion 134
9.8.1. Implications for informal leadership research 135
9.8.2. Limitations 139
9.8.3. Practical implications 141
9.8.4. Conclusions 142
10. General Discussion 143
10.1. Summary of Conceptual Propositions 143
10.2. Summary of the Empirical Findings 143
10.3. Integration and Theoretical Implications 145
10.3.1. Observable behavior versus perceived behavior 145
10.3.2. The nature and content of cognitive schemas 147
10.3.3. When and why leadership perceptions change 150
10.4. Practical Implications 151
10.5. Limitations 154
10.6. Future Research 155
10.7. Conclusion 156
11. References 159
12. Acknowledgements 181
13. Curriculum Vitae 183
14. Declaration 187Leadership is a central factor of influence for team and organizational success. Whereas formal leadership features the occupation of management positions within the organizational hierarchy, often accompanied by a certain degree of power and authority, informal leadership develops naturally through team members’ behavior and manifests in their interpersonal perceptions. Informal leadership structures of teams have an impact on their performance and satisfaction. However, for organizations and teams to benefit from informal leadership, insights to the antecedents, mechanisms, and moderators for the development are indispensable. Although a considerable amount of research attends to the antecedents and effects of informal leadership, fundamental questions regarding the interpersonal and intrapersonal processes are yet unanswered.
This dissertation contributes to informal leadership research by providing analyses of the dynamic associations between behavior, perceived behavior, and leadership perceptions in work groups. The chapters therefore refer to three central theoretical approaches: Evolutionary Leadership Theory, Shared Leadership Theory, and theory on information processing.
The first main chapter of the dissertation provides an integration and synthesis of the relevant theoretical approaches to behavior and leadership in teams. The second main chapter attends to the relevance of cognitive schemas in the individual perception of both the informal leadership structure and the own interpersonal communication. The third main chapter puts an additional focus on the dynamics of leadership perceptions on the level of dyadic relations.
The theoretical propositions and empirical findings of this dissertation provide important first steps towards the fine-grained and multi-level analysis of the intra- and interindividual processes of the development and change of informal leadership perceptions in work teams, and the integration of future and past evidence in the overarching context of the meaning of leadership structures for group performance.:List of Tables 4
List of Figures 5
Abstract 6
Zusammenfassung 9
1. Introduction 13
1.1. Relevance 13
1.2. Research Objectives 15
1.3. Dissertation Structure 17
2. Core Constructs and Conceptual Clarifications 18
3. Theoretical Framework 19
3.1. Evolutionary Leadership Theory 20
3.2. Shared Leadership Theory 22
3.3. Information Processing Theories 23
4. Methodological Framework 28
4.1. Social Network Analysis 28
4.2. Temporal Dynamics of Social Networks 31
5. Status Quo of Research 33
5.1. Antecedents of Informal Leadership in Teams 34
5.1.1. Antecedents of team-level informal leadership structures 34
5.1.2. Individual (ego)-level predictors of informal leadership perceptions 35
5.1.3. Dyadic-level antecedents of informal leadership perceptions 36
5.2. Observable Behavior and Informal Leadership Perceptions 37
5.3. Longitudinal Developments: Stability and Change of Informal Leadership Perceptions 39
6. Overview of the Research Program 41
7. Observing Leadership as Behavior– An Evolutionary Approach to Theory and Research on Team-Level Leadership Structures 44
7.1. Introduction 46
7.2. Shared Leadership in Teams: The Role of Interpersonal Behavior 48
7.3. Propositions 52
7.4. Leadership Assessment in Ethology 57
7.5. Leadership as Dyadic Ties: Implications for the Assessment of Behavior-based Networks 59
7.5.1. Behavior directions 60
7.5.2. Interpersonal behavior sequences 63
7.5.3. Compiling dyadic behavior to the group level 66
7.6. Discussion 67
7.6.1. Theoretical implications 67
7.6.2. Methodological implications 69
7.6.4. Practical implications 70
7.6.5. Limitations and outlook 71
8. Perceiving Leadership in Teams: The Effects of Cognitive Schemas and Perceived Communication 73
8.1. Introduction 75
8.2. Individual Perceptions of Leadership in Team 77
8.3. Individual Differences and Perceptions of Leadership in Teams 79
8.4. Leadership Structure Schemas 80
8.5. The Mediating Role of Perceived Communication 82
8.6. The Moderating Role of Affective Motivation to Lead 84
8.7. Overall Model 87
8.8. Method 88
8.8.1. Sample 89
8.8.2. Measures 89
8.9. Results 92
8.9.1. Descriptive analysis 92
8.9.2. Analytical approac 93
8.9.3. Hypotheses testing 95
8.10. Discussion 100
8.10.1. Implications for research 101
8.10.2. Practical implications 104
8.10.3. Limitations 105
9. Adapting Leadership Perceptions across Tasks: Micro-Origins of Informal Leadership Transitions 106
9.1. Introduction 108
9.2. Informal Leadership in Teams 110
9.3. Stability and Change of Informal Leadership Perceptions 113
9.4. How do Leadership Perceptions Change? Social Interactions as Micro-Processes 114
9.5. When do Leadership Perceptions Change? The Role Perceived Shifts in Competence Allocation 117
9.6. Methods 121
9.6.1. Overview and sample 121
9.6.2. Baseline assessment (T0) 122
9.6.3. Laboratory measurement (T1) 122
9.7. Results 127
9.7.1. Descriptive analyses 127
9.7.2 Analytical approach 129
9.7.3. Tests of hypotheses 131
9.8. Discussion 134
9.8.1. Implications for informal leadership research 135
9.8.2. Limitations 139
9.8.3. Practical implications 141
9.8.4. Conclusions 142
10. General Discussion 143
10.1. Summary of Conceptual Propositions 143
10.2. Summary of the Empirical Findings 143
10.3. Integration and Theoretical Implications 145
10.3.1. Observable behavior versus perceived behavior 145
10.3.2. The nature and content of cognitive schemas 147
10.3.3. When and why leadership perceptions change 150
10.4. Practical Implications 151
10.5. Limitations 154
10.6. Future Research 155
10.7. Conclusion 156
11. References 159
12. Acknowledgements 181
13. Curriculum Vitae 183
14. Declaration 18
Entwurf eines ADCs in einer 0.35μm Technologie
Get PDFDie vorliegende Arbeit behandelt den Entwurf eines ADCs nach dem sukzessiven Approximationsverfahren (SAR). Ausgehend von den Systemanforderungen erfolgt eine Ableitung der Spezifikation des zu entwerfenden ADCs. Theoretische Betrachtungen und Highlevelsimulationen in Matlab wählen die optimale Architektur der Einzelkomponenten - kapazitives DAC Array, Komparator, Ablaufsteuerung - aus. Die Implementation selbst findet für die Analogschaltungsteile auf Transistorebene und für die digitalen Komponenten auf RT-Ebene in VHDL statt. Sie bilden die Grundlage für die Realisierung des Layouts. In dem Zusammenhang stellt die Arbeit die gängigsten Matchingmethoden für elektronische Bauelemente vor. Abschließende PEX-Simulationen (parasitic Extraction) ermitteln die statischen (INL/DNL) wie dynamischen Kennwerte (SNR) des SAR-ADCs.:Abkürzungsverzeichnis iii
Formelzeichen v
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 2
2.1 Analog/Digital-Umsetzer 2
2.1.1 Umsetzungsverfahren 2
2.1.2 Statische Kennwerte 8
2.1.3 Dynamische Kennwerte 12
2.2 Technologie 17
2.2.1 Übersicht 17
2.2.2 MOS-Transistoren 17
2.2.3 Kapazitäten 18
2.2.4 Widerstände 18
2.3 Hardwarebeschreibungssprache 19
2.3.1 Übersicht 19
2.3.2 Zustandsautomat 19
2.3.3 Look-Ahead-Ausgang 20
3 Spezifikation 21
4 ADU-Topologie 23
4.1 Vorüberlegungen 23
4.1.1 Umsetzungsverfahren 23
4.1.2 Vergleich Widerstand/Kapazität 23
4.1.3 Differenziell Vs. Single-Ended 24
4.1.4 Kapazitätsarray 25
4.2 ADC High-Level Modell 30
4.2.1 Funktionsblöcke 30
4.2.2 Matlab/Simulink 31
4.2.3 Simulation 34
4.3 Parasitäre Effekte 37
4.3.1 Substratkapazität 37
4.3.2 Komparatoroffset 39
5 Schaltungsdesign & -simulation 41
5.1 Komparator 41
5.1.1 Spezifikation 41
5.1.2 Latch 41
5.1.3 Vorverstärker 43
5.1.4 Gesamtsystem 46
5.2 Schalter 46
5.2.1 Funktionsweise 46
5.2.2 Ladungseintrag 46
5.2.3 Dimensionierung & Simulation 47
5.3 Kapazitätsarray 51
5.4 SAR-Controller 51
5.4.1 Vorüberlegung 51
5.4.2 RTL Design 52
5.4.3 Simulation 55
5.4.4 Synthese 57
5.4.5 Optimierung 59
5.5 ADC (Toplevel) 59
5.5.1 Architektur 59
5.5.2 Simulation 61
6 Layout 64
6.1 Komparator 65
6.1.1 Vorverstärker 1 65
6.1.2 Vorverstärker 2 66
6.1.3 Dynamisches Latch 66
6.2 Transmission Gates 67
6.3 Kapazitätsarray 68
6.4 SAR-Controller 70
6.5 ADC (Toplevel) 70
6.6 PEX Simulation 72
6.6.1 Statischer Test 72
6.6.2 Dynamischer Test 73
7 Zusammenfassung 74
Literaturverzeichnis 76
Bücher 76
Skripte und Schriften 76
Internetlinks 78
Abbildungsverzeichnis 79
Tabellenverzeichnis 82
Anhang 8
Oxidation behavior of thermal barrier coating systems with Al interlayers
Get PDFKonventionelle Wärmedämmschichtensysteme bestehen aus einer Yttriumoxid-stabilisierten Zirkoniumdioxid-Deckschicht auf einer MCrAIY Haftschicht; wobei M für Co, Ni oder CoNi steht. Während der Nutzung bildet sich durch die Kombination von Wärme und Sauerstoff die Reaktionszone in der BC/TC-Grenzfläche. Diese Reaktionszone besteht aus thermisch wachsenden Übergangsmetalloxiden.
In dieser Dissertation wurde das Phänomen der Bildung von TGO in TBC-Systemen betrachtet. Co32Ni21Cr8Al0.5Y Haftschichten wurden mithilfe des Verfahrens des atmosphärischen Plasmaspritzens (APS) auf Inconel 600 Substrate aufgebracht. Jm nächsten Schritt wurden durch DC-Magnetronsputter dünne Aluminumschichten auf die Oberfläche aufgetragen. Schließlich wurde YSZ TC mittels APS auf die Oberfläche gespritzt. Die beiden TBC-Systeme wurden zur Unterscheidung des Einflusses der thermischen Auslagerung unterschiedlich lange ausgelagert, um das thermochemischen Transformationsverhalten der Al-Zwischenschicht zu bestimmen. Die Schichtlebensdauer wurde unter thermischer Zyklierung mit einer definierten Verweilzeit untersucht. Das veränderte TBC-System mit der Al-Zwischenschicht (Al TBC) wurden mit dem TBC-System ohne Al-Zwischenschicht (R TBC) verglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Hinzufügung der Al-Schichte in der BC/TC Grenzfläche nützlich für die Bildung der kontinuierlichen α Al2O3-Schicht während der Vorbereitungsphase der Wärmebehandlung ist. Diese dichte α Al2O3-Schicht bildet offensichtlich eine Durchgangsbarriere für den Sauerstoff während des Lebensdauertests. Dies hat Potential für die Verringerung der Bildung schädlicher Oxide. Der Ansatz ist nützlich für die Verlängerung der stabilen Wachstumsphase von TGO. In der Folge ermöglicht dies eine höhere Lebensdauer von Al-TBC-Systemen im Vergleich zu R-TBC-Systemen für die betrachteten thermischen Bedingungen und Zyklierungen.:Table of contents
1 Introduction 1
2 Motivation and overall interest 3
3 State of science and technology 5
3.1 Thermal barrier coating (TBC) systems 5
3.1.1 Substrate material 6
3.1.2 Ceramic top coating 6
3.1.3 Metallic bond coating 8
3.1.4 Thermally grown oxides (TGO) 12
3.1.5 Approaches on controlled TGO formation 15
3.1.6 Failure modes of TBC systems 17
3.2 Thermal spray technology 20
3.2.1 Atmospheric plasma spray (APS) technique 20
3.2.2 Formation sequence of the coating 21
3.2.3 Structure of the coating 22
3.3 Technology of thin layer deposition 23
3.4 Conclusions from the state of science and technology 24
4 Scientific objectives and work program 26
5 Experimental procedure 30
5.2 Material selection 30
5.3 Feedstock materials and thermal spray powders 32
5.4 Process selection 33
5.5 Specification of the scientific instruments 33
5.6 Detailed experimental procedure 34
5.6.1 Characterization of thermal spray powders 34
5.6.2 Preparation and characterization of overlaid coatings 35
5.6.3 Thermal treatment of TBC systems 39
5.6.4 Characterization of heat treated coating systems 40
5.6.5 Evaluation of TGO thickness and crack propagation 41
6 Results and discussions 43
6.1 Thermal spray powders and as sprayed coatings 43
6.1.1 Thermal spray powders 43
6.1.1.1 CoNiCrAlY thermal spray powder 43
6.1.1.2 ZrO2 – 8 %Y2O3 thermal spray powders 47
6.1.2 As-sputtered Al layer 50
6.1.2.1 Microstructure features 50
6.1.2.2 Elemental and phase composition analyses 50
6.1.3 As-sprayed coating systems 51
6.1.3.1 Bare and Al-covered CoNiCrAlY coatings 51
6.1.3.2 As-sprayed TBC systems 55
6.2 TBC systems after thermal treatment with different spans of dwell time 58
6.2.1 Thermal treatment with 5 and 30 min dwell time 58
6.2.2 Thermal treatment with 60 and 120 min dwell time 67
6.3 Lifetime test of TBC systems 68
6.3.1 Features in the cross section microstructure 68
6.3.2 Phase composition analyses 71
6.3.3 Elemental and Raman analyses 72
6.3.4 Features in the BC/TC of TBC systems after 80 thermal cycles 87
6.4 Thickness of TGO in the TBC systems 89
6.5 Length of cracks in the TC of the TBC systems 91
6.6 Relation between thickness of TGO and length of cracks 93
6.7 Discussion of loading condition and failure mode 95
6.8 Lifetime prediction of the TBC systems 97
6.9 Oxidation model of the TBC systems 98
7 Complementary work with discussion 100
7.1 Oxidation behavior of the TBC systems based on slow heating and cooling rates 100
7.1.1 Thickness of TGO and length of cracks 108
7.1.2 Raman analyses 112
7.1.3 Oxidation model of the TBC systems 116
7.2 Effect of Al content in the metallic coating 118
8 Complementary discussion 121
8.1 Effect of temperature on the oxidation behavior 121
8.2 Effect of deposition technique for metallic coating on the oxidation behavior 122
8.3 Effect of deposition technique for ceramic coating on the oxidation behavior 122
9 Summary and conclusion 124
10 References 128Conventional thermal barrier coating (TBC) systems consist of yttria-stabilized zirconia (YSZ) top coat (TC) on a MCrAlY bond coat (BC), where “M” stands for Co, Ni or CoNi. During their service under a combined heat and oxygen load, a reaction zone forms in the BC/TC interface. This reaction zone consists of thermally grown transition metal oxides (TGO).
In the present thesis work, a phenomena related to the TGO formation is introduced. Co32Ni21Cr8Al0.5Y BC was overlaid by atmospheric plasma spraying (APS) technique on Inconel 600 substrates. Thin Al layers were deposited subsequently by DC-Magnetron sputtering on top. Finally, YSZ TC was sprayed by APS technique on the Al layers. The TBC systems were subjected to different thermal treatment procedures in order to investigate the thermo-chemical transformation behaviour of the Al-interlayer. The lifetime of the coatings was investigated under thermal cycling loading with dwell time. The altered TBC systems with Al interlayers (Al-TBC) were compared with the reference TBC systems without Al interlayers (R-TBC).
The results show, that the addition of Al layers in the BC/TC interfaces is useful to form a continuous α-Al2O3 layer during the preliminary stage of heat treatment. The in-situ formed dense α-Al2O3 layer obviously acts as a diffusion barrier for oxygen during lifetime test. This has the potential to reduce the formation rate of detrimental oxides. This approach is beneficial to prolong the steady-state growth stage of the TGO, hence allows a higher lifetime for the
Al-TBC systems in comparison to the R-TBC systems for the applied thermal loads.:Table of contents
1 Introduction 1
2 Motivation and overall interest 3
3 State of science and technology 5
3.1 Thermal barrier coating (TBC) systems 5
3.1.1 Substrate material 6
3.1.2 Ceramic top coating 6
3.1.3 Metallic bond coating 8
3.1.4 Thermally grown oxides (TGO) 12
3.1.5 Approaches on controlled TGO formation 15
3.1.6 Failure modes of TBC systems 17
3.2 Thermal spray technology 20
3.2.1 Atmospheric plasma spray (APS) technique 20
3.2.2 Formation sequence of the coating 21
3.2.3 Structure of the coating 22
3.3 Technology of thin layer deposition 23
3.4 Conclusions from the state of science and technology 24
4 Scientific objectives and work program 26
5 Experimental procedure 30
5.2 Material selection 30
5.3 Feedstock materials and thermal spray powders 32
5.4 Process selection 33
5.5 Specification of the scientific instruments 33
5.6 Detailed experimental procedure 34
5.6.1 Characterization of thermal spray powders 34
5.6.2 Preparation and characterization of overlaid coatings 35
5.6.3 Thermal treatment of TBC systems 39
5.6.4 Characterization of heat treated coating systems 40
5.6.5 Evaluation of TGO thickness and crack propagation 41
6 Results and discussions 43
6.1 Thermal spray powders and as sprayed coatings 43
6.1.1 Thermal spray powders 43
6.1.1.1 CoNiCrAlY thermal spray powder 43
6.1.1.2 ZrO2 – 8 %Y2O3 thermal spray powders 47
6.1.2 As-sputtered Al layer 50
6.1.2.1 Microstructure features 50
6.1.2.2 Elemental and phase composition analyses 50
6.1.3 As-sprayed coating systems 51
6.1.3.1 Bare and Al-covered CoNiCrAlY coatings 51
6.1.3.2 As-sprayed TBC systems 55
6.2 TBC systems after thermal treatment with different spans of dwell time 58
6.2.1 Thermal treatment with 5 and 30 min dwell time 58
6.2.2 Thermal treatment with 60 and 120 min dwell time 67
6.3 Lifetime test of TBC systems 68
6.3.1 Features in the cross section microstructure 68
6.3.2 Phase composition analyses 71
6.3.3 Elemental and Raman analyses 72
6.3.4 Features in the BC/TC of TBC systems after 80 thermal cycles 87
6.4 Thickness of TGO in the TBC systems 89
6.5 Length of cracks in the TC of the TBC systems 91
6.6 Relation between thickness of TGO and length of cracks 93
6.7 Discussion of loading condition and failure mode 95
6.8 Lifetime prediction of the TBC systems 97
6.9 Oxidation model of the TBC systems 98
7 Complementary work with discussion 100
7.1 Oxidation behavior of the TBC systems based on slow heating and cooling rates 100
7.1.1 Thickness of TGO and length of cracks 108
7.1.2 Raman analyses 112
7.1.3 Oxidation model of the TBC systems 116
7.2 Effect of Al content in the metallic coating 118
8 Complementary discussion 121
8.1 Effect of temperature on the oxidation behavior 121
8.2 Effect of deposition technique for metallic coating on the oxidation behavior 122
8.3 Effect of deposition technique for ceramic coating on the oxidation behavior 122
9 Summary and conclusion 124
10 References 12
Design and Modelling of a Novel Hybrid Vibration Converter based on Electromagnetic and Magnetoelectric Principles
Get PDFSupplying wireless sensors from ambient energy is nowadays highly demanded for a higher flexibility of use and low system maintenance costs. Vibration sources are thereby especially attractive due to their availability and the relatively high energy density they can provide.
The aim of this work is to realize a hybrid energy converter for vibration sources having low amplitude and low frequency. The idea is to combine two diverse harvesters to realize a higher energy density and at the same time to improve the converter reliability. We focus on the design, modeling, and test of the hybrid vibration converter. For an appropriate converter design, the vibration profiles of several ambient vibration sources are characterized. The results show that the typical frequency and acceleration ranges are between 5 Hz to 60 Hz and 0.1 g to 1.5 g respectively.
The proposed converter is based on the magnetoelectric (ME) and electromagnetic (EM) principles. These two principles can be easily combined within almost the same volume, because they generate energy form the same varying magnetic field coupled to the mechanical vibration of the source. Thereby, the energy density is improved as the ME converter is incorporated within the relatively large coil housing of the electromagnetic converter.
The proposed converter is based on the use of a magnetic spring instead of the typically used mechanical springs, which applies the repulsive force to the seismic mass of the converter. The applied vibration is transmitted to the converter based on the magnetic spring principle instead of the conventional mechanical springs. Due to the nonlinearity of the magnetic spring, the converter is able to operate for a frequency bandwidth instead of resonant frequency which is the case while using a mechanical spring. Hence, this leads to realize a high converter efficiency even under random
vibrations characterized by frequency bandwidth. As well, using magnetic spring principle enables to adjust the resonant frequency of the converter relative to the applied vibration source easily by just adjusting the moving magnet size.
For the converter design, a parametric study is conducted using finite element analysis. Two main criteria are thereby taken into account, which are the compactness and the efficiency of the converter. Parameters affecting these two criteria are classified in mechanical, electromagnetic and magnetoelectric parameters. Results show that the combination of the EM and ME principles leads to an improvement of the energy output compared to a single EM or ME converter.
The novel hybrid converter is realized and tested under harmonic and real vibration profiles. It comprises two main parts: A fixed part, where the coils and the ME transducer are fixed in order to ensure a good reliability of the converter by avoiding wire movements. A moving part, where the moving magnet of the magnetic spring and the magnetic circuit are placed. The presented converter is reliable and compact, which is able to harvest energy with a maximum output power density of 0.11 mW/cm³ within a frequency bandwidth of 12 Hz for a resonance frequency of 24 Hz under an applied harmonic vibration with an amplitude of 1 mm.Die Versorgung von drahtlosen Sensoren aus der Umgebungsenergie ermöglicht heutzutage eine hohe Einsatzflexibilität und die Senkung des Systemwartungsaufwands. Schwingungsquellen sind aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der damit erreichbaren Energiedichte besonders attraktiv. Ziel dieser Arbeit ist es, einen hybriden Energiewandler für Vibrationsquellen mit geringer Amplitude und niedriger Frequenz zu realisieren. Der Ansatz dabei ist, zwei verschiedene Wandler zu kombinieren, um eine höhere Energiedichte zu erreichen und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Der Entwurf konzentriert sich auf die Modellierung und den Test des hybriden Vibrationswandlers. Für einen geeigneten Wandlerentwurf werden die Schwingungsprofileigenschaften mehrerer Umgebungsschwingungsquellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die typische Frequenz zwischen 5 Hz und 60 Hz und der Beschleunigungsbereich zwischen 0,1 g und 1,5 g liegen.
Der vorgeschlagene Wandler kombiniert das magnetoelektrischen (ME) Prinzip mit dem elektromagnetischen (EM) Prinzip. Diese beiden Prinzipien können innerhalb des fast gleichen Volumens leicht integriert werden, da sie Energie aus der Variation des gleichen Magnetfeldes, das mit der mechanischen Schwingung gekoppelt ist, erzeugen können. Dadurch wird die Energiedichte verbessert, da der ME-Wandler in das relativ große Spulengehäuse des elektromagnetischen Wandlers eingesetzt werden kann.
Darüber hinaus basiert der vorgeschlagene Wandler auf der Verwendung von Magnetfedern, um die Repulsivkraft auf die seismische Masse zu realisieren. Aufgrund der Nichtlinearität der Magnetfeder, kann der Wandler in einem breiteren Frequenzbereich betrieben werden, anstatt nur bei der Resonanzfrequenz, wie es bei der Verwendung einer mechanischen Feder der Fall ist. Dies führt dazu, dass der Wandler auch bei zufälligen breitbandigen Schwingungsquellen effizient betrieben werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Magnetfederprinzips eine einfache Einstellung der Resonanzfrequenz des Wandlers in Bezug auf die Schwingungsquelle, durch Einstellen der Größe des beweglichen Magneten.
Für den Wandlerentwurf wird eine Parameterstudie mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Zwei Hauptkriterien werden dabei berücksichtigt: Die Kompaktheit und die Energieeffizienz des Wandlers. Parameter die diese beiden Kriterien beeinflussen, können in mechanische, elektromagnetische und magnetoelektrische unterteilt werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Kombination der EM- und ME-Prinzipien zu einer Verbesserung der Energieausbeute im Vergleich zu einem einzelnen EM- oder ME-Wandler geführt hat.
Der neuartige Hybrid-Wandler wurde realisiert und unter harmonischen und realen Schwingungsprofilen getestet. Der Wandler besteht aus zwei Hauptteilen: Ein festes Teil, an dem die Spulen und der ME-Wandler befestigt sind, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten indem auf einen beweglichen Draht verzichtet wird, und ein bewegliches Teil, das sich aus einem beweglichen Magneten zusammensetzt.
Der vorgestellte Wandler ist zuverlässig, kompakt und in der Lage, Energie mit einer maximalen Ausgangsleistungsdichte von 0,11 mW/cm 3 und einer Bandbreite von 12 Hz bei einer Resonanzfrequenz von 24 Hz unter einer angelegten harmonischen Schwingung mit einer Amplitude von 1 mm zu gewinnen