Multimedia ONline ARchiv CHemnitz
Not a member yet
4978 research outputs found
Sort by
Mehrkörpersimulation eines ebenen Koppelgetriebes mittels Matlab / ADAMS -Co-Simulation
Get PDFMit Hilfe der Matlab/ADAMS-Co-Simulation wird ein ebenes Koppelgetriebe (5- Gelenk) untersucht und anschließend die Wirkpaarung mit einem Stückgut betrachtet. Dabei werden verschiedene Modellierungsstufen angewendet und die Simulationsergebnisse Messergebnissen vom Versuchsstand gegenübergestellt. Daneben wird die grundlegende Herangehensweise beim Einsatz dieser Simulationswerkzeuge erläutert
Numerische Auslegung des Mehrlagenschweißens als additives Fertigungsverfahren
Get PDFDie additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren.
Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“
Erfassung, Simulation und Weiterverarbeitung menschlicher Bewegungen mit Dynamicus
Get PDFDer Einsatz digitaler Menschmodelle in der Produkt- und Prozessergonomie hat in den letzten Jahren beständig zugenommen. Vor allem Anforderungen aus dem industriellen Umfeld setzten hohe Maßstäbe an Schnelligkeit, Genauigkeit und Verlässlichkeit der verwendeten Systeme, Methoden und Verfahren. Das biomechanische Menschmodell Dynamicus ist eine am Institut für Mechatronik e.V., Chemnitz entwickelte Software, die sich auf dieses Gebiet der Simulation spezialisiert hat. Die Grundlage von Dynamicus-Simulationen sind reale menschliche Bewegungen, die mit Hilfe eines Motion-Capture-Systems aufgezeichnet werden. Die Analyse der digital vorliegenden Bewegungen erfolgt in den Wissenschaftsgebieten der Ergonomie, des Sports und der Rehabilitation
Enhancing Task Assignment in Many-Core Systems by a Situation Aware Scheduler
No full textThe resource demand on embedded devices is constantly growing. This is caused by the sheer explosion of software based functions in embedded systems, that are growing far faster than the resources of the single-core and multi-core embedded processors. As one of the limitation is the computing power of the processors we need to explore ways to use this resource more efficiently. We identified that during the run-time of the embedded devices the resource demand of the software functions is permanently changing dependent on the device situation. To enable an embedded device to take advantage of this dynamic resource demand, the allocation of the software functions to the processor must be handled by a scheduler that is able to evaluate the resource demand of the software functions in relation to the device situation. This marks a change in embedded devices from static defined software systems to dynamic software systems. Above that we can increase the efficiency even further by extending the approach from a single device to a distributed or networked system (many-core system). However, existing approaches to deal with dynamic resource allocation are focused on individual devices and leave the optimization potential of manycore systems untouched. Our concept will extend the existing Hierarchical Asynchronous Multi-Core Scheduler (HAMS) concept for individual devices to many-core systems. This extension introduces a dynamic situation aware scheduler for many-core systems which take the current workload of all devices and the system-situation into account. With our approach, the resource efficiency of an embedded many-core system can be increased. The following paper will explain the architecture and the expected results of our concept
Rückfederungsreduzierung durch simulationsbasierte Methodenoptimierung in der Blechumformung
Get PDFBisherige Bemühungen zur Reduzierung der Rückfederung von Blechbauteilen begrenzten sich hauptsächlich auf die Gestaltung der letzten Formgebungsstufe. In der vorliegenden Arbeit wird ein innovativer Ansatz zur Erhöhung der Maßhaltigkeit durch die Modifikation der Vorziehstufe untersucht. Dabei wird auf Grundlage eines beispielhaften Industriebauteils ein Demonstrator mit einer offenen und einer geschlossenen Kontur entwickelt. Durch die Abbildung der Herstellungsmethode in der Simulation (FEM) lässt sich die Rückfederung beurteilen. Durch die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens wird die Qualität der Simulation gesteigert, da die Materialkennwerte (Fließkurve & Grenzformänderungskurve) für die Simulation genauer spezifiziert werden können. Es erfolgt die Variation der Vorziehstufe hinsichtlich geometrischer (Radius & Grad der Vorziehstufe) und prozesstechnischer Parameter (Niederhalterkraft & Schließabstand), sodass nach der Auswertung der Rückfederungsergebnisse Gestaltunghinweise erarbeitet werden. Die Validierung der Simulationsergebnisse wird vorgenommen, indem die Bauteile real hergestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Rückfederungen der Simulation und der realen Herstellungsmethode zu vergleichen und die Gestaltungshinweise zu bewerten.Approaches to reduce springback of sheet metal parts are mainly focused on the last forming stage. This study deals with modifications made on the pre-drawing stage so that an increased dimensional accuracy results. A demonstrator with an open and a closed contour is developed based on an exemplary industrial part. The assessment of springback is conducted by incorporating the manufacturing method into simulation (FEM). To increase the quality of the simulation the characterization of materials is set and hence more information about material properties (flow curve and forming limit curve) is specified. Variations of geometric (radius & proportion of pre-drawing stage) and process parameters (blankholder force & closing distance) are made which purpose the development of design guidelines after evaluation. The simulation results are validated by producing real sheet metal parts. The design guidelines will be feasible/can be assessed if the comparison of the springback results converges between simulation and reality
Elisabeth von Rochlitz – Die weibliche Seite der Reformation
Get PDFStefanie Reinhold schildert die Geschichte der Elisabeth von Rochlitz und greift damit das Leben einer zentralen weiblichen Akteurin in der Reformationszeit des Raums Südwestsachsen auf
Aqueous Rechargeable Batteries with High Electrochemical Performance
Get PDFMit der Entwicklung der Weltwirtschaft steigt der Energieverbrauch weiterhin stark an. Darüber hinaus reduzieren sich die nicht erneuerbaren Energiequellen, wie Öl, Erdgas und Kohle und die Umweltverschmutzung wird größer. Daher soll die Energienutzung in eine neue, erneuerbare und umweltfreundliche Richtung gehen. Die Arbeit hat zum Ziel innovative, wässrige Akkumulatoren zu entwickeln.
Im Allgemeinen können wässrige Akkumulatoren gemäß der Elektrolyte in drei verschiedenen Kategorien eingeteilt werden. Es gibt feste, organische und wässrige Elektrolyte einschließlich saurer, alkalischer und neutraler. In Bezug auf metallbasierte negative Elektroden können sie auch als Lithiumbatterie, Natriumbatterie sowie Magnesiumbatterie etc. bezeichnet werden. Daher werden im ersten Kapitel einige typische Akkumulatoren, wie die Lithiumionenbatterien, Daniell-Element, Weston-Zelle, Nickel-Cadmium-Batterie und Bleibatterie vorgestellt.
Im Vergleich zu organischen Elektrolyten wurden wässrige Akkumulatoren aufgrund ihrer billigen, leichten und sicheren Bauweise in den letzten Jahren umfassend untersucht. Zusätzlich dazu ist die ionische Leitfähigkeit von wässrigen Elektrolyten um zwei Größenordnungen höher als die von organischen Elektrolyten. Dies garantiert eine hohe Entladungsrate für wässrige wiederaufladbare Batterien. Somit bieten wiederaufladbare Batterien potentielle Anwendungen in der Energiespeicherung und -umwandlung.
Allerdings verursachen starke Säuren oder Basen, die als Elektrolyte für sekundäre Batterien eingesetzt werden, eine starke Korrosion. Somit wären neutrale wässrige Elektrolyten (oder Elektrolytlösungen) mit einem pH-Wert in der Nähe von sieben, wie zum Beispiel schwach basisch oder sauer, die beste Wahl für wässrige Akkumulatoren. Aktive Elektrodenmaterialien der Batterien, die hochgiftige Schwermetalle wie Blei, Quecksilber und Cadmium enthalten, belasten die Umwelt.
Um die Menge an Schwermetallen und Säure (oder Basen) zu verringern, sowie die spezifische Kapazität von Batterien zu erhöhen, untersucht diese Dissertation vor allem die elektrochemische Leistung der PbSO4/0,5M Li2SO4/LiMn2O4-Zelle, der Cd/0,5M Li2SO4+10mM Cd(Ac)2/LiCoO2-Zelle und von C/Cu/CNT-Gemischen als negative Materialien in 0,5 M K2CO3–Elektrolyt-Halbzellen. Die zugehörigen experimentellen Ergebnisse werden wie folgt zusammengefaßt:
Im Kapitel 3 wurde eine säurefreie Bleibatterie auf Basis des LiMn2O4-Spinells als positive Elektrode, PbSO4 als negativer Elektrode und der wässrigen Lösung von 0,5 M Li2SO4 als Elektrolyt zusammengesetzt. Die spezifische Kapazität auf Basis von LiMn2O4 beträgt 128 mA•h•g-1 und die durchschnittliche Entladungsspannung beträgt 1,3 V. Die berechnete Energiedichte ist 68 W•h•kg-1, bezogen auf die praktischen Kapazitäten der beiden Elektroden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die positive Elektrode der Bleibatterie (PbO2) vollständig durch umweltfreundliches und billiges LiMn2O4 ersetzt werden kann, wodurch 50 % des Bleis eingespart werden können. Außerdem wird Schwefelsäure nicht benötigt.
Kapitel 4 zeigt eine wässrige wiederaufladbare Lithiumionenbatterie, die metallisches Cadmium als negative Elektrode, LiCoO2-Nanopartikel als positive Elektrode und eine wässrige, neutrale Lösung von 0,5 M Li2SO4 und 10 mM Cd(Ac)2 als Elektrolyt enthält. Die durchschnittliche Entladungsspannung beträgt 1,2 V und die spezifische Entladungskapazität beträgt 107 mA•h•g-1 auf Basis von LiCoO2. Die berechnete Energiedichte beträgt 72 W•h•kg-1, bezogen auf die praktischen Kapazitäten der beiden Elektroden. Wie bereits oben beschrieben demonstrieren die Ergebnisse, dass 100 % von Quecksilber und der alkalischen Elektrolyt im Vergleich zur Weston-Zelle bzw. der Ni-Cd-Batterie, eingespart werden können.
Kapitel 5 zeigt einen Verbundwerkstoff von Kupfer, das auf der Oberfläche von CNTs durch eine Redoxreaktion zwischen Kupferacetat und Ethylenglykol, zur Verwendung als negative Elektrode bei hohen Strömen in der Energiespeicherung, hergestellt wurde. Der so hergestellte C/Cu/CNT-Verbundwerkstoff zeigt ein besseres Geschwindigkeitsverhalten und eine höhere Kapazität ebenso wie eine exzellente Zyklusstabilität in wässrigen 0,5 M K2CO3-Lösungen im Vergleich zu einfachem Kupfer. Die Kohlenstoffbeschichtung kann die Auflösung von Kupfercarbonatkomplexen verhindern, die Elektrodenleitfähigkeit erhöhen und die Oberflächenchemie des aktiven Materials verbessern.With the economic development of the world, energy consumption continues to rise sharply. Moreover, non-renewable energy sources including fossil oil, natural gas and coal are declining gradually and environmental pollution is becoming more severe. Hence, energy usage should go into a new direction of development that is renewable and environmental-friendly. This thesis aims to explore innovative aqueous rechargeable batteries.
Generally, rechargeable batteries could be classified into three categories according to the different electrolytes. There are solid electrolytes, organic electrolytes and aqueous electrolytes including acidic, alkaline and neutral. In terms of metal-based negative electrodes, they also could be named lithium battery, sodium battery as well as magnesium battery etc. Therefore, some typical rechargeable batteries are introduced in Chapter 1, such as lithium ion batteries, Daniell-type cell, Weston cell, Ni-Cd battery and lead-acid battery.
Compared to organic electrolytes, aqueous rechargeable batteries have been investigated broadly in recent years because they are inexpensive, easy to construct and safe. Additionally, the ionic conductivity of aqueous electrolytes is higher than that of organic electrolytes by about two orders of magnitude. Furthermore, it ensures high rate capability for aqueous rechargeable battery. Consequently, aqueous rechargeable batteries present potential applications in energy storage and conversion.
However, strong acid or alkaline, which is used as the electrolyte for secondary batteries, will cause serious corrosion. Thus, neutral aqueous electrolyte (or pH value of electrolyte solution close to 7 such as weak alkaline and acid) would be the best choice for aqueous rechargeable battery. In addition, the electrode active materials of batteries containing highly toxic heavy metals such as Pb, Hg and Cd, pollute the environment.
As a result, in order to reduce the amount of heavy metals and acid (or alkaline) as well as increase the specific capacity of batteries, this dissertation mainly studies the electrochemical performance of PbSO4/0.5M Li2SO4/LiMn2O4 full battery, Cd/0.5M Li2SO4+10 mM Cd(Ac)2/LiCoO2 full battery and C/Cu/CNT composites as negative material in 0.5 M K2CO3 electrolyte as half cell. The related experimental results are as follows:
In Chapter 3, an acid-free lead battery was assembled based on spinel LiMn2O4 as the positive electrode, PbSO4 as the negative electrode, and 0.5 M Li2SO4 aqueous solution as the electrolyte. Its specific capacity based on the LiMn2O4 is 128 mA•h•g-1 and the average discharge voltage is 1.3 V. The calculated energy density is 68 W•h•kg-1 based on the practical capacities of the two electrodes. These results show that the positive electrode of the lead acid battery (PbO2) can be totally replaced by the environmentally friendly and cheap LiMn2O4, which implies that 50 % of Pb can be saved. In addition, H2SO4 is not needed.
Chapter 4 shows an aqueous rechargeable lithium ion battery using metallic Cd as the negative electrode, LiCoO2 nanoparticles as the positive electrode, and an aqueous neutral solution of 0.5 M Li2SO4 and 10 mM Cd(Ac)2 as the electrolyte. Its average discharge voltage is 1.2 V and the specific discharge capacity is 107 mA•h•g-1 based on the LiCoO2 . In addition, the calculated energy density based on the capacities of the electrodes is 72 W•h•kg-1. As described above, the results demonstrate that 100 % of Hg and alkaline electrolyte can be saved compared with the Weston cell and the Ni-Cd battery, respectively.
The work reported in Chapter 5 deals with a composite of copper grown on the surface of CNTs as prepared by a redox reaction between copper acetate and ethylene glycol for use as negative electrode at high currents in energy storage. The as-prepared C/Cu/CNTs composite exhibits better rate behavior and higher capacity as well as excellent cycling stability in aqueous 0.5 M K2CO3 solution compared to the unsupported copper. The carbon coating can effectively prevent the dissolution of copper carbonate complexes, increase the electrode conductivity, improve the surface chemistry of the active material and protect the electrode from direct contact with electrolyte solution
A Full Frequency-Dependent Cable Model for the Calculation of Fast Transients
Get PDFThe calculation of frequency-dependent cable parameters is essential for simulations of transient phenomena in electrical power systems. The simulation of transients is more complicated than the calculation of currents and voltages in the nominal frequency range. The model has to represent the frequency dependency and the wave propagation behavior of cable lines. The introduced model combines an improved subconductor method for the determination of the frequency-dependent parameters and a PI section wave propagation model. The subconductor method considers the skin and proximity effect in all conductors for frequency ranges up to few megahertz. The subconductor method method yields accurate results. The wave propagation part of the cable model is based on a cascaded PI section model. A modal transformation technique has been used for the calculation in the time domain. The frequency-dependent elements of the related modal transformation matrices have been fitted with rational functions. The frequency dependence of cable parameters has been reproduced using a vector fitting algorithm and has been implemented into an resistor-inductor-capacitor network (RLC network) for each PI section. The proposed full model has been validated with measured data
Beitrag zur Entwicklung neuartiger hybrider Werkstoffverbunde auf Polymer/Keramik-Basis
Get PDFKohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff weist ausgezeichnete thermische, mechanische und chemische Eigenschaften auf. Aufgrund seiner Faserarchitektur und Porosität zeigt dieser eine mit metallischen und polymeren Werkstoffen vergleichbar hohe Schadenstoleranz. Die Herstellung komplexer Leichtbaustrukturen aus C/C-Verbunden ist jedoch zeit- und kostenintensiv. Ein neuer Ansatz stellt die Integration geometrisch simpler C/C-Verbunde in komplexe, problemlos zu realisierende polymere Strukturen dar. Ein derartiges Werkstoffkonzept vereint die Vorteile seiner Komponenten in einem ganzheitlichen Werkstoffsystem. Einen Nachteil stellt jedoch die geringe wechselseitige Adhäsion seiner Komponenten dar. Die Innovation dieses Beitrags stellt sich einerseits der Herausforderung die mechanischen Eigenschaften der C/C-Verbunde in Abhängigkeit der intrinsischen Porosität zu beeinflussen. Dies geschieht durch Veränderung der chemischen und physikalischen Vernetzungsbedingungen des Matrixprecursors. Andererseits soll die dadurch herrührende inhärente Porosität zur Vergrößerung der wirksamen äußeren Oberfläche und zur gezielten Verbesserung der Adhäsion zum Polymer führen. Es wird ein Kohlenstoffprecursor mit variabler offener
Porosität entwickelt und daraus neuartige verschiedenporöse C/C-Verbunde hergestellt und untersucht. Im Anschluss werden die verschiedenporösen C/C-Verbunde mit ausgewählten Polymeren unter definierten Konsolidierungsparametern thermisch gefügt und deren wechselseitiges Adhäsionsverhalten bewertet.:ABKÜRZUNGEN UND FORMELZEICHEN I
ABBILDUNGSVERZEICHNIS VI
TABELLENVERZEICHNIS XI
I EINLEITUNG UND MOTIVATION 1
II STAND DER TECHNIK 3
II 1 Hybride Polymer/Keramik - Werkstoffverbunde 3
II 1.1 Grundlagen zur Adhäsion 3
II 1.1.1 Adhäsionsmodelle 3
II 1.1.2 Keramik/Polymer-Grenzflächentypen 7
II 1.2 Konstruktionsprinzipien 8
II 1.2.1 Differentialbauweise 8
II 1.2.2 Integralbauweise 8
II 1.2.3 Mischbauweise 8
II 1.2.4 Hybridbauweise (hybride Werkstoffverbunde) 8
II 1.3 Fertigungsverfahren 9
II 1.3.1 Klassifizierung 10
II 1.3.2 In-situ-Fügetechnik (In-Mould Assembly) 11
II 1.3.3 Ex-situ-Fügetechnik (Post-Mould Assembly) 11
II 1.4 Aspekte zur Interfaceoptimierung 12
II 1.5 Versagensverhalten von einfachen hybriden Werkstoffverbunden 13
II 1.6 Fazit zu hybriden Polymer/Keramik - Werkstoffverbunden 14
II 2 Grundlagen zu Keramik/Matrix-Verbundwerkstoffen 15
II 2.1 Grundlagen zur Verstärkung keramischer Werkstoffe 15
II 2.1.1 Einteilung keramischer Werkstoffen 15
II 2.1.2 Versagensverhalten unverstärkter Monolithkeramik 15
II 2.1.3 Verstärkung keramischer Matrices 19
II 2.1.4 Verstärkungskomponenten und deren Wirkungsweise 20
II 2.2 Klassifizierung faserverstärkter Keramik/Matrix Verbundwerkstoffe 25
II 2.2.1 Weak Interface Composite – CMCs (WIC-CMC) 25
II 2.2.2 Weak Matrix Composite – CMCs (WMC-CMC) 25
II 2.3 Rissfortschrittsverhalten in faserverstärkten CMCs 26
II 2.3.1 Rissablenkung an der F/M-Grenzfläche 27
II 2.3.2 Rissausbreitung und sukzessives Versagen der Faser/Matrix-Domänen 28
II 2.3.3 Rissabschirmung und -ablenkung in porösen Matrices 28
II 2.4 Versagensverhalten faserverstärkter CMCs 29
II 2.4.1 Lastübertragungsverhalten an Faser/Matrix-Grenzflächen 29
II 2.4.2 Mikromechanisches Versagensverhalten 30
II 2.4.3 Makromechanisches Versagensverhalten 31
II 2.5 Fazit zu Keramik/Matrix-Verbundwerkstoffen 34
II 3 Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff 35
II 3.1 Kohlenstofffaserbasierte Verstärkungskomponenten 35
II 3.1.1 Kohlenstofffasern 35
II 3.1.2 Textile Flächengebilde 39
II 3.2 Kohlenstoffmatrix-bildende Precursoren und Verfahren 40
II 3.2.1 Allgemeine Verfahrensweisen 40
II 3.2.2 Grundlagen zu Phenolharzen 41
II 3.2.3 Polymerpyrolyse 46
II 3.2.4 Intrinsische Entwicklung der Porosität 49
II 3.3 Herstellung von PF-Novolak-basierten C/C-Verbunden 50
II 3.3.1 Herstellung der CFK- Produktzwischenstufe 50
II 3.3.2 Herstellung der C/C-Produktendstufe 51
II 4 Fazit zu kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff 53
II 5 Thermoplastische Kunststoffe 54
II 5.1 Synthese 54
II 5.2 Klassifizierung von Polymeren 54
II 5.3 Thermoplastisches Ethylen-Vinylacetat (EVA) 55
II 5.4 Verarbeitung mittels Thermoplast-Spritzgießen 56
II 5.5 Mechanisches Verhalten 57
II 5.6 Fazit zu thermoplastischen Kunststoffen 58
II 6 Folgerungen und Zielsetzung 59
III EXPERIMENTELLER TEIL 61
III 1 Methodische Vorgehensweise 61
III 2 Versuchsbeschreibung und –durchführung 63
III 2.1 Charakterisierende Verfahren 63
III 2.1.1 Prozessbegleitende Untersuchungen 63
III 2.1.2 Dynamische Differenz-Kalorimetrie und Thermogravimetrie 64
III 2.1.3 ATR Spektroskopie 65
III 2.1.4 Röntgendiffraktometrie (XRD) 66
III 2.1.5 Raman Spektroskopie 67
III 2.1.6 Gefüge- und Phasenanalyse 68
III 2.1.7 Oberflächenanalyse der C/C-Verbunde 68
III 2.1.8 3-Punkt-Biegeprüfung 69
III 2.1.9 Haftabzugversuch 70
III 2.2 Entwicklung und Untersuchung des Matrixprecursors 71
III 2.2.1 Validierung des Matrixprecursors 71
III 2.2.2 Komposition der Harz / Härter-Gemische 71
III 2.2.3 Vernetzungsverhalten der Vorkondensate 72
III 2.2.4 Kohlenstoffausbeute der Resite 73
III 2.2.5 Phasengenese des generierten Matrixkohlenstoffs 74
III 2.2.6 Mikrostrukturentwicklung der Resite und Matrixkohlenstoffe 75
III 2.3 Entwicklung und Untersuchung der CFK-Produktzwischenstufe 76
III 2.3.1 Beschreibung zur Herstellung 76
III 2.3.2 Gefüge- und Phasenanalyse 78
III 2.3.3 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 78
III 2.4 Entwicklung und Untersuchung der C/C-Produktendstufe 79
III 2.4.1 Beschreibung zur Herstellung 79
III 2.4.2 Gefüge- und Phasenanalyse 80
III 2.4.3 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 80
III 2.5 Entwicklung und Untersuchung hybrider EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 81
III 2.5.1 Herstellung der C/C-Verbundwerkstoffkomponenten 81
III 2.5.2 Untersuchung der Oberflächenmorphologien der porösen C/C-Verbunde 81
III 2.5.3 Herstellung der hybriden EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 82
III 2.5.4 Gefüge und Phasenanalyse am hybriden Interface 84
III 2.5.5 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 84
III 3 Ergebnisse 85
III 3.1 Untersuchung des Matrixprecursors 85
III 3.1.1 Validierung des Matrixprecursors 85
III 3.1.2 Vernetzungsverhalten der Vorkondensate 85
III 3.1.3 Kohlenstoffausbeute der Resite 91
III 3.1.4 Phasengenese des generierten Matrixkohlenstoffs 92
III 3.1.5 Porositätsentwicklung der Resite und Matrixkohlenstoffe 94
III 3.2 Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 98
III 3.2.1 Gefüge- und Phasenanalyse der CFK-Verbunde 98
III 3.2.2 Gefüge- und Phasenanalyse der C/C-Verbunde 103
III 3.3 Untersuchung der Faser/Matrix-Adhäsion 107
III 3.3.1 Einflüsse auf die Faser/Matrix-Adhäsion der CFK-Verbunde 107
III 3.3.2 Einflüsse auf die Faser/Matrix-Adhäsion der C/C-Verbunde 109
III 3.4 Mechanisches Verhalten der Verbundwerkstoffe 110
III 3.4.1 3-Punkt-Biegefestigkeiten der Verbunde bei einem Härtedruck von 15 bar 110
III 3.4.2 3-Punkt-Biegefestigkeiten der Verbunde bei einem Härtedruck von 60 bar 111
III 3.5 Untersuchung der hybriden EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 113
III 3.5.1 Entwicklung der Oberflächenmorphologie ausgewählter C/C-Verbunde 113
III 3.5.2 Mikrostrukturelles Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 115
III 3.5.3 Mechanisches Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 117
III 4 Diskussion der Ergebnisse 119
III 4.1 Vernetzungsverhalten der Resite 119
III 4.1.1 Netzwerkgenese der Vorkondensate und Degradation des Härters 119
III 4.1.2 Einfluss des Härtermassenanteils auf das Vernetzungsverhalten der Resite 121
III 4.1.3 Zur Phasengenese der generierten Matrixkohlenstoffe 122
III 4.1.4 Fazit zum Vernetzungsverhalten der Resite 122
III 4.2 Ausbildung der Porenmorphologie 124
III 4.2.1 Porenmorphologie der Resite 124
III 4.2.2 Porenmorphologie der Matrixkohlenstoffe 126
III 4.2.3 Fazit zur Ausbildung der Porenmorphologie 127
III 4.3 Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 128
III 4.3.1 Mikrostrukturentwicklung der CFK-Produktzwischenstufe 128
III 4.3.2 Mikrostrukturentwicklung der C/C-Produktendstufe 128
III 4.3.3 Porositätsentwicklung der CFK- und C/C-Verbunde 129
III 4.3.4 Fazit zur Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 130
III 4.4 Mechanisches Verhalten der Verbundwerkstoffe 131
III 4.4.1 Einfluss der Härtermassenanteils 131
III 4.4.2 Einfluss des Härtedrucks 131
III 4.4.3 Einfluss des Temperns 131
III 4.4.4 Einfluss des Pyrolyseschrumpfes 131
III 4.4.5 Fazit zum mechanischen Verhalten der Verbundwerkstoffe 132
III 4.5 Hybride EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 133
III 4.5.1 Entwicklung der Oberflächenmorphologie ausgewählter C/C-Verbunde 133
III 4.5.2 Mikrostrukturelles Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 133
III 4.5.3 Mechanisches Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 134
III 4.5.4 Fazit zur Realisierung der hybriden Werkstoffverbunde 134
IV SCHLUSSFOLGERUNGEN 135
V ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 139
VI LITERATURQUELLEN 140
ANLAGENFibre-reinforced ceramic matrix composite materials are characterized by excellent thermal, mechanical and chemical properties. Their high tolerance regarding damaging is a result of the intrinsic fibre structure and porosity. Due to this fact, they offer outstanding dampening characteristics, as is the case for polymeric materials. The production of complex structures is very time consuming and expensive. The integration of simple geometric ceramic composite materials in complex polymeric structures is regarded as a new approach for the production of these materials. These easy-to-produce hybrid ceramic/polymer compound materials combine the advantages of ceramics and polymers in one material system. However, one main disadvantage of these materials is the mutual adhesion of the two components. This article deals with the challenge of the manipulation of the mechanical properties of the C/C composites depending on the intrinsic porosity. This is realized by altering the physical and chemical wetting/coating conditions of the matrix precursor. In addition, the inherent porosity is supposed to increase the effective outer surface and specifically improve the adhesion. For this purpose, a novel carbon precursor with an adjustable open porosity is developed and investigated further. During this different versions of the CFRP and various C/C materials of different production steps are produced and examined. The variation of the precursors is supposed to take place in the polymeric state. The different C/C composites are subsequently thermally bonded with selected polymers and defined consolidation parameters. The mutual joining and connection behaviour is investigated further.:ABKÜRZUNGEN UND FORMELZEICHEN I
ABBILDUNGSVERZEICHNIS VI
TABELLENVERZEICHNIS XI
I EINLEITUNG UND MOTIVATION 1
II STAND DER TECHNIK 3
II 1 Hybride Polymer/Keramik - Werkstoffverbunde 3
II 1.1 Grundlagen zur Adhäsion 3
II 1.1.1 Adhäsionsmodelle 3
II 1.1.2 Keramik/Polymer-Grenzflächentypen 7
II 1.2 Konstruktionsprinzipien 8
II 1.2.1 Differentialbauweise 8
II 1.2.2 Integralbauweise 8
II 1.2.3 Mischbauweise 8
II 1.2.4 Hybridbauweise (hybride Werkstoffverbunde) 8
II 1.3 Fertigungsverfahren 9
II 1.3.1 Klassifizierung 10
II 1.3.2 In-situ-Fügetechnik (In-Mould Assembly) 11
II 1.3.3 Ex-situ-Fügetechnik (Post-Mould Assembly) 11
II 1.4 Aspekte zur Interfaceoptimierung 12
II 1.5 Versagensverhalten von einfachen hybriden Werkstoffverbunden 13
II 1.6 Fazit zu hybriden Polymer/Keramik - Werkstoffverbunden 14
II 2 Grundlagen zu Keramik/Matrix-Verbundwerkstoffen 15
II 2.1 Grundlagen zur Verstärkung keramischer Werkstoffe 15
II 2.1.1 Einteilung keramischer Werkstoffen 15
II 2.1.2 Versagensverhalten unverstärkter Monolithkeramik 15
II 2.1.3 Verstärkung keramischer Matrices 19
II 2.1.4 Verstärkungskomponenten und deren Wirkungsweise 20
II 2.2 Klassifizierung faserverstärkter Keramik/Matrix Verbundwerkstoffe 25
II 2.2.1 Weak Interface Composite – CMCs (WIC-CMC) 25
II 2.2.2 Weak Matrix Composite – CMCs (WMC-CMC) 25
II 2.3 Rissfortschrittsverhalten in faserverstärkten CMCs 26
II 2.3.1 Rissablenkung an der F/M-Grenzfläche 27
II 2.3.2 Rissausbreitung und sukzessives Versagen der Faser/Matrix-Domänen 28
II 2.3.3 Rissabschirmung und -ablenkung in porösen Matrices 28
II 2.4 Versagensverhalten faserverstärkter CMCs 29
II 2.4.1 Lastübertragungsverhalten an Faser/Matrix-Grenzflächen 29
II 2.4.2 Mikromechanisches Versagensverhalten 30
II 2.4.3 Makromechanisches Versagensverhalten 31
II 2.5 Fazit zu Keramik/Matrix-Verbundwerkstoffen 34
II 3 Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff 35
II 3.1 Kohlenstofffaserbasierte Verstärkungskomponenten 35
II 3.1.1 Kohlenstofffasern 35
II 3.1.2 Textile Flächengebilde 39
II 3.2 Kohlenstoffmatrix-bildende Precursoren und Verfahren 40
II 3.2.1 Allgemeine Verfahrensweisen 40
II 3.2.2 Grundlagen zu Phenolharzen 41
II 3.2.3 Polymerpyrolyse 46
II 3.2.4 Intrinsische Entwicklung der Porosität 49
II 3.3 Herstellung von PF-Novolak-basierten C/C-Verbunden 50
II 3.3.1 Herstellung der CFK- Produktzwischenstufe 50
II 3.3.2 Herstellung der C/C-Produktendstufe 51
II 4 Fazit zu kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff 53
II 5 Thermoplastische Kunststoffe 54
II 5.1 Synthese 54
II 5.2 Klassifizierung von Polymeren 54
II 5.3 Thermoplastisches Ethylen-Vinylacetat (EVA) 55
II 5.4 Verarbeitung mittels Thermoplast-Spritzgießen 56
II 5.5 Mechanisches Verhalten 57
II 5.6 Fazit zu thermoplastischen Kunststoffen 58
II 6 Folgerungen und Zielsetzung 59
III EXPERIMENTELLER TEIL 61
III 1 Methodische Vorgehensweise 61
III 2 Versuchsbeschreibung und –durchführung 63
III 2.1 Charakterisierende Verfahren 63
III 2.1.1 Prozessbegleitende Untersuchungen 63
III 2.1.2 Dynamische Differenz-Kalorimetrie und Thermogravimetrie 64
III 2.1.3 ATR Spektroskopie 65
III 2.1.4 Röntgendiffraktometrie (XRD) 66
III 2.1.5 Raman Spektroskopie 67
III 2.1.6 Gefüge- und Phasenanalyse 68
III 2.1.7 Oberflächenanalyse der C/C-Verbunde 68
III 2.1.8 3-Punkt-Biegeprüfung 69
III 2.1.9 Haftabzugversuch 70
III 2.2 Entwicklung und Untersuchung des Matrixprecursors 71
III 2.2.1 Validierung des Matrixprecursors 71
III 2.2.2 Komposition der Harz / Härter-Gemische 71
III 2.2.3 Vernetzungsverhalten der Vorkondensate 72
III 2.2.4 Kohlenstoffausbeute der Resite 73
III 2.2.5 Phasengenese des generierten Matrixkohlenstoffs 74
III 2.2.6 Mikrostrukturentwicklung der Resite und Matrixkohlenstoffe 75
III 2.3 Entwicklung und Untersuchung der CFK-Produktzwischenstufe 76
III 2.3.1 Beschreibung zur Herstellung 76
III 2.3.2 Gefüge- und Phasenanalyse 78
III 2.3.3 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 78
III 2.4 Entwicklung und Untersuchung der C/C-Produktendstufe 79
III 2.4.1 Beschreibung zur Herstellung 79
III 2.4.2 Gefüge- und Phasenanalyse 80
III 2.4.3 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 80
III 2.5 Entwicklung und Untersuchung hybrider EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 81
III 2.5.1 Herstellung der C/C-Verbundwerkstoffkomponenten 81
III 2.5.2 Untersuchung der Oberflächenmorphologien der porösen C/C-Verbunde 81
III 2.5.3 Herstellung der hybriden EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 82
III 2.5.4 Gefüge und Phasenanalyse am hybriden Interface 84
III 2.5.5 Untersuchungen zum mechanischen Verhalten 84
III 3 Ergebnisse 85
III 3.1 Untersuchung des Matrixprecursors 85
III 3.1.1 Validierung des Matrixprecursors 85
III 3.1.2 Vernetzungsverhalten der Vorkondensate 85
III 3.1.3 Kohlenstoffausbeute der Resite 91
III 3.1.4 Phasengenese des generierten Matrixkohlenstoffs 92
III 3.1.5 Porositätsentwicklung der Resite und Matrixkohlenstoffe 94
III 3.2 Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 98
III 3.2.1 Gefüge- und Phasenanalyse der CFK-Verbunde 98
III 3.2.2 Gefüge- und Phasenanalyse der C/C-Verbunde 103
III 3.3 Untersuchung der Faser/Matrix-Adhäsion 107
III 3.3.1 Einflüsse auf die Faser/Matrix-Adhäsion der CFK-Verbunde 107
III 3.3.2 Einflüsse auf die Faser/Matrix-Adhäsion der C/C-Verbunde 109
III 3.4 Mechanisches Verhalten der Verbundwerkstoffe 110
III 3.4.1 3-Punkt-Biegefestigkeiten der Verbunde bei einem Härtedruck von 15 bar 110
III 3.4.2 3-Punkt-Biegefestigkeiten der Verbunde bei einem Härtedruck von 60 bar 111
III 3.5 Untersuchung der hybriden EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 113
III 3.5.1 Entwicklung der Oberflächenmorphologie ausgewählter C/C-Verbunde 113
III 3.5.2 Mikrostrukturelles Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 115
III 3.5.3 Mechanisches Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 117
III 4 Diskussion der Ergebnisse 119
III 4.1 Vernetzungsverhalten der Resite 119
III 4.1.1 Netzwerkgenese der Vorkondensate und Degradation des Härters 119
III 4.1.2 Einfluss des Härtermassenanteils auf das Vernetzungsverhalten der Resite 121
III 4.1.3 Zur Phasengenese der generierten Matrixkohlenstoffe 122
III 4.1.4 Fazit zum Vernetzungsverhalten der Resite 122
III 4.2 Ausbildung der Porenmorphologie 124
III 4.2.1 Porenmorphologie der Resite 124
III 4.2.2 Porenmorphologie der Matrixkohlenstoffe 126
III 4.2.3 Fazit zur Ausbildung der Porenmorphologie 127
III 4.3 Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 128
III 4.3.1 Mikrostrukturentwicklung der CFK-Produktzwischenstufe 128
III 4.3.2 Mikrostrukturentwicklung der C/C-Produktendstufe 128
III 4.3.3 Porositätsentwicklung der CFK- und C/C-Verbunde 129
III 4.3.4 Fazit zur Mikrostrukturentwicklung der Verbundwerkstoffe 130
III 4.4 Mechanisches Verhalten der Verbundwerkstoffe 131
III 4.4.1 Einfluss der Härtermassenanteils 131
III 4.4.2 Einfluss des Härtedrucks 131
III 4.4.3 Einfluss des Temperns 131
III 4.4.4 Einfluss des Pyrolyseschrumpfes 131
III 4.4.5 Fazit zum mechanischen Verhalten der Verbundwerkstoffe 132
III 4.5 Hybride EVA/(C/C)-Werkstoffverbunde 133
III 4.5.1 Entwicklung der Oberflächenmorphologie ausgewählter C/C-Verbunde 133
III 4.5.2 Mikrostrukturelles Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 133
III 4.5.3 Mechanisches Adhäsionsverhalten am hybriden Interface 134
III 4.5.4 Fazit zur Realisierung der hybriden Werkstoffverbunde 134
IV SCHLUSSFOLGERUNGEN 135
V ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 139
VI LITERATURQUELLEN 140
ANLAGE
Architectural Nanomembranes as Cathode Materials for Li-O2 Batteries
Get PDFLi-O2 batteries have attracted world-wide research interest as an appealing candidate for future energy supplies because they possess the highest energy density of any battery technology. However, such system still face some challenges for the practical application. One of the key issues is exploring highly efficient cathode materials for Li-O2 batteries.
Here, a rolled-up technology associated with other physical or chemical methods are applied to prepare architectural nanomembranes for the cathode materials in Li-O2 batteries. The strain-release technology has recently proven to be an efficient approach on the micro/nanoscale to fabricate composite nanomembranes with controlled thickness, versatile chemical composition and stacking sequence.
This dissertation first focuses on the synthesis of trilayered Pd/MnOx/Pd nanomembranes. The incorporation of active Pd layers on both sides of the poor conductive MnOx layer commonly used in energy storage systems greatly enhances the conductivity and catalytic activity. Encouraged by this design, Pd nanoparticles functionalized MnOx-GeOy nanomembranes are also fabricated, which not only improve the conductivity but also facilitate the transport of Li+ and oxygen-containing species, thus greatly enhancing the performance of Li-O2 batteries. Similarly, Au and Pd arrays decorated MnOx nanomembranes act as bifunctional catalysts for both oxygen reduction reaction and oxygen evolution reaction in Li-O2 batteries. Moreover, by introducing hierarchical pores on the nanomembranes, the performance of Li-O2 batteries is further promoted by porous Pd/NiO nanomembranes. The macropores created by standard photolithography facilitate the rolling process and the nanopores in the nanomembranes induced by a novel template-free method supply fast channels for the reactants diffusion. In addition, a facile thermal treatment method is developed to fabricate Ag/NiO-Fe2O3/Ag hybrid nanomembranes as carbon-free cathode materials in Li-O2 batteries. A competing scheme between the intrinsic strain built in the oxide nanomembranes and an external driving force provided by the metal nanoparticles is introduced to tune the morphology of the 3D tubular architectures which greatly improve the performance by providing continuous tunnels for O2 and electrolyte diffusion and mitigating the side reactions produced by carbonaceous materials