Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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Faculty / Organisational entity
In Zeiten rasant ansteigender Energiepreise wird die Energieeinsparung durch Gewichtsreduzierung
bewegter Massen, z. B. im Automobilbau, zunehmend wichtiger. In immer mehr Bereichen des
Automobilbaues werden Faser-Kunststoff- Verbunde (FKV) aufgrund ihrer geringen Dichte eingesetzt.
Positive Aspekte einer Faserverstärkung von Kunststoffen sind Verbesserungen der Steifigkeit und
der Festigkeit. Negativ wirkt sich die Faserverstärkung hingegen auf die Bruchdehnung aus. Je nach
eingesetztem FKV kann durch die geringe Bruchdehnung bei einem Crash nur wenig Energie absorbiert
werden und es kommt zum strukturellen Versagen. Wegen der günstigen Material- und
Verarbeitungskosten werden im Auto- mobilbau häufig langglasfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)
verwendet. Diese können allerdings aufgrund ihrer suboptimalen Crasheigenschaften in vielen
Bereichen des Fahrzeugbaues nicht eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit
der Verbesserung der Crasheigenschaften von LFT durch eine Verstärkung mit Metalltextilien. Ziel
ist es, den Anwendungsbereich von LFT im Auto- mobilbau zu erweitern. Aufgrund der Erfahrungen in
vorangegangenen Arbeiten liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf den Eigenschaften eines mit
Edelstahl- schweißgitter (ESG) verstärkten LFT. Das Material wurde mit einer Vielzahl an Versuchen
einer eingehenden mechanischen Charakterisierung unterzogen. Vor der Probenentnahme wurde die
herstellungsbedingte Faserorientierung in Plattenebene untersucht. Dies geschah durch die
Auswertung von Röntgen- und Durchlicht- aufnahmen. Es wurde eine hochgradige Faserausrichtung in
Fließrichtung fest- gestellt. Mit Hilfe der Computertomographie war eine qualitative Untersuchung
der lokalen Faserorientierung möglich. Weiterhin konnte die Beeinflussung der Faser- orientierung
durch die Metalltextilverstärkung beobachtet werden. Aufgrund der Be- deutung der
Interfaceeigenschaften zwischen Stahl und LFT für den ESG-LFT- Verbund wurden die Scher- und
Normalfestigkeit mit Hilfe von Drahtauszug- und Stirnabzugversuchen bestimmt. Die
Interfaceeigenschaften wurden für verschiedene Vorbehandlungsmethoden der metallischen Oberfläche
untersucht. Eine Vorbehand- lung durch Druckluftstrahlen der Oberfläche führte zu den besten
Haftungs- eigenschaften. Als Strahlmittel wurden Korundpartikel eingesetzt. Neben metall-
textilverstärkten LFT-Proben wurden auch unverstärkte LFT-Proben als Referenzuntersucht. Es wurden quasistatische Versuche unter Zug- und Schubbelastung
durchgeführt. Wegen der Crashanwendung wurden die Zugversuche auch unter
kurzzeitdynamischer Belastung durchgeführt. Zusätzlich wurden Durchstoßversuche
durchgeführt, um den Einfluss auf die Energieabsorption beobachten zu können. Um
die Verbesserung der strukturellen Integrität zu demonstrieren, wurden einfache
Demonstratorbauteile unter Zugbelastung getestet. Dabei konnte neben einer
Bestimmung wichtiger Materialparameter eine erhöhte Energieaufnahme und eine
verbesserte strukturelle Integrität nachgewiesen werden. Zur Erweiterung der
experimentellen Erkenntnisse wurde ein parametrisiertes Simulationsmodell auf
Mikroebene entwickelt. Anhand des Mikromodells gelang es, einen detaillierten
Einblick in den Spannungszustand und das Versagensverhalten von ESG-LFT zu
erhalten. Des Weiteren war es damit möglich, den Einfluss verschiedener Geometrieund
Haftungsparameter auf die Verbundeigenschaften zu untersuchen. Die
vorliegenden Erkenntnisse wurden zur Programmierung eines makromechanischen
Simulationsmodells genutzt. Dieses zeigte, trotz der vorgenommenen
Vereinfachungen, bereits gute Übereinstimmungen von Simulation und Experiment
und konnte Hinweise für weiterführende Arbeiten liefern. Das entwickelte makromechanische
Modell kann damit als Basis für die Weiterentwicklung dieses Materialmodells genutzt werden.
Fiber-reinforced plastics are hybrid materials designed for the needs of the 21st century.
With their capability to form low weight structures, while preserving high stiffness
and excellent damping, these composites provide solutions for a broad range of markets.
Unfortunately, some of these advantages are not used in practice because there exist
no fast and automated manufacturing processes for efficient production. In the research
field of continuous-reinforced thermoplastic composites, industry is facing a
challenge of high viscose polymer melt and thereby an imperfect fiber wet-out. As a
result, synergy effects of fibers within a polymer could not be fully exploited.
The topic of this work is to adapt new processing technologies for reactive thermoplastic
polymers. On one hand, fast heating and cooling options offer processes with
shorter cycle time, and on the other hand, low viscosity of reactive polymers impregnates
the textile structures faster. This results in faster and cheaper manufacturing of
composites that are yet to be realized for the market.
All FRPCs were produced on a continuous compression molding press. As a noncontinuous
technology, an inductive heated CageSystem® from RocTool has been
selected. Entropically driven ring-opening cyclic oligomers form Cyclics with waterlike
melt viscosities are chosen as reactive matrix.
The viscosity of Cyclic Butylene Terephthalate (CBT*) was measured using a rheometer.
The rheological behavior is determined under isothermal conditions for various
temperatures. The chemical transformation from oligomer to macromolecule pCBT1
was assessed by size exclusion chromatography. Based on these studies, a kinetic
polymerization model was constructed which involved an Arrhenius-type equation. By
using the activation energy and pre-exponential factor, it was possible to offer an
exact mathematical solution for the prediction of isothermal conversion. A numerical
solution of the Arrhenius equation helped to predict the polymerization for any timetemperature
conditions. Furthermore, the polymerization model was extended to describe
the chemo-rheology. Inserting specific material parameters, the bipartite model
was able to provide a numerical prognosis for the viscosity with the input parameters
time-temperature. All models were calibrated and validated with the experimental
data. The continuous compression molding press was used to consolidate CBT-prepregs
and PBT-prepregs. As reinforcing phase, a multiaxial non-crimp-fabric from Ahlstrom
was used. This fabric contained glass fibers with a “CBT*-compatible” sizing. The
design of experiments was mainly focusing on the variation in the temperature distribution
in process direction with respect to process speeds. An extensive analysis,
from optical to energy absorption, was performed on the resulting FRPC-product,
called organic sheet. All test results showed a better performance for GF-pCBT
compared to GF-PBT. Even for much higher process speed, the material properties
of GF-pCBT did not deteriorate strongly in contrast to GF-PBT. The enhancement
was traced to a better fiber-matrix interface (e.g., ILSS values) and to an excellent
fiber wet-out with pCBT (e.g., SEM pictures).
Viscosity and impregnation are the main factors behind the transversal visco-elastic
impregnation model that was deduced. An arithmetic function that tracks the impregnation
process for the classical thermoplastic PBT and its reactive pendant CBT*
was derived. This was based on the dimensionless B-factor which was considered as
technology independent performance indicator. The model was able to link the fast
impregnation with CBT* - the viscosity of which is 10-5 magnitude lower than PBT - to
all temperature-time-conditions. An optimization method was used to find process
parameters to realize a minimum cycle time for the continuous process. This model
was adapted to the non-continuous pressing technology to find the minimum cycle
time.
To evaluate the economic potential, a transparent process analysis was set up in
form of a static cost calculation. In a first step, all monetary activities from each technology
were identified and rated. The cycle time - as main capacity indicator - was
based on the chemo-rheological model introduced above. Different break-even
analyses and production costs highlighted the techno-economic potential of the related
process-material-combination. A synergistic effect between innovative process
technologies and reactive thermoplastic polymer was found.
Faster and more efficient technologies for the production of fiber-reinforced plastics
have been systematically developed and evaluated. The results were achieved with
an intelligent combination of manufacturing technology and modern reactive thermoplastic
polymers. Moreover, the approach of this work can be transferred to the other
reactive thermoplastic matrix-based composites.
The aim of this study is to describe the consolidation in thermoplastic tape placement
process to obtain high quality structure, making the process viable for automotive
and aerospace industrial applications. The major barrier in this technique is very
short residence time of material under the consolidation roller to accomplished complete
polymer diffusion in the bonded region. Hence investigation is performed to find
out the optimize manufacturing parameters by extensive material, process, product
testing and through process simulation.
Temperature distribution and convective heat transfer under the hot gas torch is experimentally
mapped out. Bonding process inside the laminate is the combine effect
of layers (tapes) intimate contact Dic development and resulting polymer diffusion Dh
at these contacted sections. Three energy levels are identified based on the process
velocity and hot gas flow combinations. For the low energy parameter combinations,
the energy input to the incoming tape and substrate material is limited and result in
incomplete intimate contact which restricts the bonding process. On other hand high
energy input although could increase the bonding degree Db even up to the 97%, but
also activate the thermal degradation phenomena. It is found out that the rate of polymer
healing (diffusion) and polymer crosslinking follows the Arrhenius laws with the
activation energies of 43 KJ/mol and 276 KJ/mol. The polymer crosslinking at high
temperature exposure hinder the polymer diffusion process and reduces the strength
development. So the parameters combination at intermediate energy level provides
the opportunity of continuous interlaminar strength improvement through out the layup
process.
Deformation of tape edges is identified as the dictating factor for the laminate’s transverse
strength. Tape placement with slight overlap reinforced the transverse joint by
more 10 % as compared to pure matrix joint. Finally the simulation tool developed in
this research work is used for identifying the existing limitation to achieve full consolidation.
A parameter study shows that extended consolidation either by mean of additional
pass or by increasing consolidation length widens the high strength (over 90%)
bonding degree Db contour. Thus high lay-up velocity (up to 7 m/min) is viable for industrial
production rate.
In recent years the consumption of polymer based composites in many engineering
fields where friction and wear are critical issues has increased enormously. Satisfying
the growing industrial needs can be successful only if the costly, labor-intensive and
time-consuming cycle of manufacturing, followed by testing, and additionally followed
by further trial-and-error compounding is reduced or even avoided. Therefore, the
objective is to get in advance as much fundamental understanding as possible of the
interaction between various composite components and that of the composite against
its counterface. Sliding wear of polymers and polymer composites involves very
complex and highly nonlinear processes. Consequently, to develop analytical models
for the simulation of the sliding wear behavior of these materials is extremely difficult
or even impossible. It necessitates simplifying hypotheses and thus compromising
accuracy. An alternative way, discussed in this work, is an artificial neural network
based modeling. The principal benefit of artificial neural networks (ANNs) is their ability
to learn patterns through a training experience from experimentally generated data
using self-organizing capabilities.
Initially, the potential of using ANNs for the prediction of friction and wear properties
of polymers and polymer composites was explored using already published friction
and wear data of 101 independent fretting wear tests of polyamide 46 (PA 46) composites.
For comparison, ANNs were also applied to model the mechanical properties
of polymer composites using a commercial data bank of 93 pairs of independent Izod
impact, tension and bending tests of polyamide 66 (PA 66) composites. Different
stages in the development of ANN models such as selection of optimum network
configuration, multi-dimensional modeling, training and testing of the network were
addressed at length. The results of neural network predictions appeared viable and
very promising for their application in the field of tribology.
A case example was subsequently presented to model the sliding friction and wear
properties of polymer composites by using newly measured datasets of polyphenylene
sulfide (PPS) matrix composites. The composites were prepared by twinscrew
extrusion and injection molding. The dataset investigated was generated from
pin-on-disc testing in dry sliding conditions under various contact pressures and sliding speeds. Initially the focus was placed on exploring the possible synergistic effects
between traditional reinforcements and particulate fillers, with special emphasis on
sub-micro TiO2 particles (300 nm average diameter) and short carbon fibers (SCFs).
Subsequently, the lubricating contributions of graphite (Gr) and polytetrafluoroethylene
(PTFE) in these multiphase materials were also studied. ANNs were trained
using a conjugate gradient with Powell/Beale restarts (CGB) algorithm as well as a
variable learning rate backpropagation (GDX) algorithm in order to learn compositionproperty
relationships between the inputs and outputs of the system. Likewise, the
influence of the operating parameters (contact pressure (p) and sliding speed (v))
was also examined. The incorporation of short carbon fibers and sub-micro TiO2
particles resulted in both a lower friction and a great improvement in the wear resistance
of the PPS composites within the low and medium pv-range. The mechanical
characterization and surface analysis after wear testing revealed that this beneficial
tribological performance could be explained by the following phenomena: (i)
enhanced mechanical properties through the inclusion of short carbon fibers, (ii)
favorable protection of the short carbon fibers by the sub-micro particles diminishing
fiber breakage and removal, (iii) self-repairing effects with the sub-micro particles, (iv)
formation of quasi-spherical transfer particles free to roll at the tribological contact.
Still, in the high pv-range stick-slip sliding motion was observed with these hybrid
materials. The adverse stick-slip behavior could be effectively eliminated through the
additional inclusion of solid lubricant reservoirs (Gr and PTFE), analogous to the
lubricants used in real ball bearings. Likewise, solid lubricants improved the wear resistance
of the multiphase system PPS/SCF/TiO2 in the high pv-range (≥ 9 MPa·m/s).
Yet, their positive effect, especially that of graphite, was limited up to certain volume
fraction and loading conditions. The optimum results were obtained by blending
comparatively low amounts of Gr and PTFE (≈ 5 vol.% from each additive). An introduction
of softer sub-micro particles did not bring the desired ball bearing effect and
fiber protection. The ANN prediction profiles for PPS tribo-compounds exhibited very
good or even perfect agreement with the measured results demonstrating that the
target of achieving a well trained network was reached. The results of employing a
validation test dataset indicated that the trained neural network acquired enough
generalization capability to extend what it has learned about the training patterns to
data that it has not seen before from the same knowledge domain. Optimal brain surgeon (OBS) algorithm was employed to perform pruning of the network
topology by eliminating non-useful weights and bias in order to determine if the
performance of the pruned network was better than the fully-connected network.
Pruning resulted in accuracy gains over the fully-connected network, but induced
higher computational cost in coding the data in the required format. Within an importance
analysis, the sensitivity of the network response variable (frictional coefficient
or specific wear rate) to characteristic mechanical and thermo-mechanical input variables
was examined. The goal was to study the relationships between the diverse
input variables and the characteristic tribological parameters for a better understanding
of the sliding wear process with these materials. Finally, it was demonstrated that
the well-trained networks might be applied for visualization what will happen if a certain
filler is introduced into a composite, or what the impacts of the testing conditions
on the frictional coefficient and specific wear rate are. In this way, they might be a
helpful tool for design engineers and materials experts to explore materials and to
make reasoned selection and substitution decisions early in the design phase, when
they incur least cost.
Unter „endokrinen Stoffen“ (Endocrin Disruptors) versteht man synthetisch erzeugte und in die Umwelt gelangte Chemikalien, die in die hormonellen Regelkreise von Mensch und Tier eingreifen. Sie entfalten ihre Wirkung i. d. R. bereits bei geringer Konzentration. Die aus der Einwirkung solcher Stoffe resultierenden negativen Folgen (z. B. Wachstumsstörungen, sinkende Fruchtbarkeit) werden unter dem Begriff „endokrine Effekte“ zusammengefasst. Die Untersuchung endokriner Effekte von Chemikalien ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet in verschiedenen Fachgebieten z. B. in der Toxikologie und der Medizin. Unter den endokrinen Chemikalien finden wir zahlreiche Pestizide, die man in der Landwirtschaft benutzt. Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit besteht darin, einen wichtigen Teilaspekt bei der Ausbreitung endokriner Stoffe, nämlich das Phasengleichgewicht bei deren Verteilung auf eine feste Phase (einen Boden) und eine damit koexistierende wässrige Phase in experimentellen Arbeiten zu untersuchen, mit dem Ziel, die Entwicklung von zuverlässigen Methoden zur Vorhersage solcher Phasengleichgewichte zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Verteilungskoeffizient von endokrinen Stoffen auf Boden/Wasser–Systeme experimentell bestimmt. Dazu wurde der Verteilungskoeffizient von 26 Substanzen mit endokriner Wirkung mit Hilfe von zwei Messmethoden ermittelt. Für die Untersuchungen wurden die klassische Standardmethodeschüttelkolbenmethode und die HPLC-Methode eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit war die HPLC-Methode gegenüber der Schüttelkolbenmethode zu erproben, um die dabei erzielten Verteilungskoeffizienten mit den vorhandenen Literaturangaben zu vergleichen. Die Verteilung dieser Stoffe wurde in Eurosoil/Wasser – Systemen untersucht. Mit der Schüttelkolbenmethode wurden 17 Substanzen untersucht und mit der HPLC – Methode alle 26 ausgewählten Stoffe. Die Verteilungskoeffizienten sind, sofern möglich, jeweils für eine Substanz mit zwei Versuchsmethoden bestimmt worden.
Um die bei modernen stationären Industriegasturbinen geforderten Leistungsdichten bei hohem Wirkungsgrad zu erreichen, werden sehr oft transsonische Axialkompressoren eingesetzt. Neben vielen Vorteilen, haben sie eine erhöhte Sensibilität gegenüber Ungleichförmigkeiten im Geschwindigkeits- und Druckprofil der Zuströmung als entscheidenden Nachteil. Da diese Ungleichförmigkeiten direkt von der Gestaltung des Einlaufgehäuses mitbestimmt werden, spielt das Design eine außerordentlich wichtige Rolle bei der Auslegung der Gesamtmaschine. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Strömungen in der ersten Transsonikstufe eines mehrstufigen Axialverdichters und untersucht deren Wechselwirkung mit den Strömungen im Einlaufgehäuse. Durch die Geometrie des Einlaufgehäuses, welche die Strömung in den meisten Fällen von vertikaler in horizontale Richtung umlenkt, entstehen Ungleichförmigkeiten im Strömungsprofil, die den Druckaufbau, den Wirkungsgrad und den stabilen Betriebsbereich der Maschine einschränken können. Zusätzlich können stärkere Blattschwingungen auftreten, die die mechanische Beanspruchung der Rotorstruktur erhöhen. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik werden drei verschiedene Einlaufgehäuse untersucht, um festzustellen, welche Strömungsungleichförmigkeiten auftreten und wie diese die Strömung in der Transsonikstufe beeinflussen. Zwei der drei Varianten sind um 90° umlenkend und entsprechen denen, wie sie in realen Gasturbinen eingesetzt werden. Dabei ist eine Variante strömungstechnisch optimiert, die andere im Sinne einer möglichst einfachen Fertigung gestaltet. Die dritte Variante ist ein rein axiales Gehäuse mit einer eingebauten Versperrung, um zu untersuchen, wie gut sich Strömungsungleichförmigkeiten, die in einem radial umlenkenden Einlaufgehäuse einer stationären Gasturbine entstehen, durch Einbauten simulieren lassen. Desweiteren bietet sich diese Simulation an, da das Einlaufgehäuse zusammen mit dem 5-stufigen Axialkompressor auf einem Prüfstand vermessen wurde und so ein Vergleich mit Messwerten möglich ist. Die Simulationen haben gezeigt, dass es möglich ist, mit einem aerodynamisch günstig gestalteten Einlaufgehäuse Zuströmbedingungen zu erzeugen, die in der darauffolgenden Transsonikstufe nicht zu nennenswerten Einschränkungen in Wirkungsgrad, Druckverhältnis und Betriebsbereich führen. Eine Parameterstudie mit verschiedenen axialen Baulängen hat gezeigt, dass eine Verkürzung des Einlaufgehäuses durchgeführt werden kann, ohne zusätzliche Verluste in Kauf nehmen zu müssen. Erst bei Unterschreitung eines kritischen Maßes kommt es zu deutlichen Verlusten und einer Reduktion des Druckverhältnisses. Hier ist eine Anpassung der Vorleitreihe nötig, um den geänderten Zuströmbedingungen der Vorleitreihe hinter der verkürzten Einlaufgehäusevariante Rechnung zu tragen. Die zweite radial umlenkende Einlaufgehäusevariante ist aus aerodynamischer Sicht ungünstiger gestaltet. Hier zeigen die Simulationen, dass sich im Einlaufgehäuse Wirbel ausbilden, die zum einen im Einlaufgehäuse selbst und zum anderen in der Transsonikstufe hohe Verluste hervorrufen. Darüber hinaus kommt es zu einer Abnahme des Stufendruckverhältnisses, und es ist auch mit negativen Auswirkung auf folgende Stufen zu rechnen, da die Wirbel hinter der ersten Stufe immer noch abgeschwächt vorhanden sind. Obwohl die hinter einem radial umlenkenden Einlaufgehäuse entstehenden Geschwindigkeitsprofile komplex sind, lassen sie sich auch in einem axialen Einlaufgehäuse durch Einbauten simulieren. Auch wenn sich die verschiedenen Verlustentstehungsmechanismen gegenseitig beeinflussen und eine exakte Trennung nicht möglich ist, konnte mit einer groben Abschätzung festgestellt werden, wie groß der Anteil der Stoß- und Spaltverluste an den Gesamtverlusten ist. So haben beispielsweise im Auslegungspunkt nur etwa 15 % der Verluste ihre Ursache in den Verdichtungsstößen, und weniger als 10 % der Verluste sind auf die Spaltströmung zwischen Rotorblattspitze und Gehäuse zurückzuführen. Mit fast 80 % entsteht der überwiegende Anteil der Verluste in den Profil- und Seitenwandgrenzschichten. Die berechneten Strömungs- und Druckprofile zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den durchgeführten Messungen.
Diese Arbeit untersucht Möglichkeiten der berührungslosen Vermessung von Durchmessern von Bohrungen in leitfähigen Materialien mit Hilfe des kapazitiven Messprinzips. Dazu wird ein Messkopf in die Bohrung eingeführt. Zwischen der Bohrungswand und Messelektroden auf dem Messkopf entstehen Kondensatoren, deren Kapazität mit einer Kapazitätsmessschaltung gemessen und daraus auf den Bohrungsdurchmesser zurückgerechnet wird. Es wurden dabei Ansätze mit Messköpfen mit einer oder mehreren Messelektroden verfolgt. Für Messköpfe mit einer Messelektrode wurden ein umfangreiches Fehlermodell und darauf basierend ein Kalibrierverfahren mit Fehlerkompensation erstellt.
Point defects in piezoelectric materials – continuum mechanical modelling and numerical simulation
(2010)
The topic of this work is the continuum mechanic modelling of point defects in piezoelectric materials. Devices containing piezoelectric material and especially ferroelectrics require a high precision and are exposed to a high number of electrical and mechanical load cycles. As a result, the relevant material properties may decrease with increasing load cycles. This phenomenon is called electric fatigue. The transported ionic and electric charge carriers can interact with each other, as well as with structural elements (grain boundaries, inhomogeneities) or with material interfaces (domain walls). A reduced domain wall mobility also reduces the electromechanical coupling effect, which leads to the electric fatigue effect. The materials considered here are barium titanate and lead zirconate titanate (PZT), in which oxygen vacancies is the most mobile and most frequently appearing defect species. Intentionally introduced foreign atoms (dopants) can adjust the material properties according to their field of application by generating electric dipoles with the vacancies. Agglomerations of point defects can strongly influence the domain wall motion. The domain wall can be slowed down or even be stopped by the locally varying fields in the vicinity of the clusters. Accumulations of point defects can be detected at electrodes, pores or in the bulk of fatigued samples. The present thesis concentrates focuses on the self interaction behaviour of point defects in the bulk. A micro mechanical continuum model is used to show the qualitative and the quantitative interaction behaviour of defects in a static setup and during drift processes. The modelling neglects the ferroelectric switching mechanisms, but is applicable to every piezoelectric material. The underlying differential equations are solved by means of analytical (Green's functions) and numerical (Finite Differences with discrete Fourier Transform) methods, depending on the boundary conditions. The defects are introduced as localised Eigenstrains, as electric charges and as electric dipoles. The required defect parameters are obtained by comparisons with atomistic methods (lattice statics). There are no standardised procedures available for the parameter identification. In this thesis, the mechanical parameter is obtained by a comparison of relaxation volumes of the atomic lattice and the continuum solution. Parameters for isotropic and anisotropic defect descriptions are identified. The strength of the electric defect is obtained by a comparison of the electric internal energies of atomistics and continuum. The appearing singularities are eliminated by taking only the energy difference of a infinite crystal and a periodic cell into account. Both identification processes are carried out for the cubic structure of barium titanate, which decouples the mechanical and the electrical problem. The defect interaction is analysed by means of configurational forces. The mechanical defect parameter generates a directional short-range attraction between defects. An electrical defect parameter produces the long-range Coulomb interaction, which predicts a repulsion of two similar charges. Additionally, an interaction with defect dipoles is taken into account. It is shown that a defect agglomeration is possible for any static defect configuration. Finally, defect drift is simulated using a thermodynamically motivated migration law based on configurational forces. In this context, the migration of point defects due to self interaction, and the influence of external fields is investigated.
Ionische Flüssigkeiten werden häufig als Reaktionsmedien (Lösungsmittel) zur Durchführung von chemischen Reaktionen diskutiert. An vielen solcher Reaktionen (z. B. Hydroformylierungen, Hydrierungen und Oxidationen) sind Gase beteiligt. Deshalb ist die Kenntnis der Gaslöslichkeit in ionischen Flüssigkeiten nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von technischem Interesse. Langfristiges Ziel von wissenschaftlichen Arbeiten auf diesem Gebiet ist die Entwicklung und Erprobung von Methoden zur Vorhersage solcher Gaslöslichkeiten, z.B. durch eine „Molekulare Simulation“. Dazu sind jedoch zuverlässige experimentelle Angaben erforderlich. Deshalb hat im letzten Jahrzehnt die experimentelle Bestimmung von Gaslöslichkeiten in ionischen Flüssigkeiten stark an Bedeutung gewonnen. Trotzdem liegen in der Literatur nur vergleichsweise wenige, zuverlässige, quantitative Angaben vor. Aufbauend auf früheren Arbeiten am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der Universität Kaiserslautern zur Löslichkeit von Gasen in wässrigen (teilweise mit den Gasen reagierenden) Lösungen wurde in der vorliegenden Arbeit die Löslichkeit von sieben Gasen (CO2, CO, H2, CH4, O2, Xe und CF4) in vier ionischen Flüssigkeiten (den drei imidazolbasierten Flüssigkeiten - [bmim][PF6], [bmim][CH3SO4], [hmim][Tf2N] - und einer Pyrrolidiniumverbindung - [bmpy][Tf2N] - ) experimentell im Temperaturbereich zwischen 293 K und 413 K bei Drücken zwischen 0.1 und 10 MPa untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten mit einer nach der synthetischen Methode arbeitenden Versuchsanlage. Sie musste jedoch an die neue Aufgabenstellung adaptiert werden. Im Verlauf der Messungen wurden auch volumetrische Daten der Mischungen (Gas + Ionische Flüssigkeit) bestimmt. Dabei war in allen untersuchten ionischen Flüssigkeiten Kohlendioxid das am besten lösliche und Wasserstoff das am schlechtesten lösliche Gas. Die Löslichkeit von Wasserstoff in den untersuchten ionischen Flüssigkeiten ist dabei so gering, dass das (für sehr schlecht lösliche Gase typische, aber selten beobachtete) Phänomen der Zunahme der Gaslöslichkeit mit steigender Temperatur auftritt. Die Löslichkeit des gleichen Gases in den vier untersuchten ionischen Flüssigkeiten unterscheidet sich dagegen vergleichsweise wenig (Unterschiede etwa um einen Faktor zwei). Die Messwerte wurden mit Hilfe des erweiterten Henryschen Gesetzes korreliert. Dazu wurde zunächst die Henrysche Konstante (beim Druck null) für die Löslichkeit des jeweiligen Gases in der betrachteten ionischen Flüssigkeit bestimmt. Die Genauigkeit der so erhaltenen Henryschen Konstanten beträgt etwa ein Prozent. Die Abweichungen vom vereinfachten Henryschen Gesetz wurden durch Berücksichtigung der Krichevsky-Kasarnowsky-Korrektur zur Henryschen Konstante und/bzw. durch Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den gelösten Gasmolekülen (über Aktivitätskoeffizienten) erfasst. Zur Beschreibung der Krichevsky-Kasarnowsky-Korrektur wird das partielle molare Volumen des Gases in der ionischen Flüssigkeit (im Grenzfall der unendlichen Verdünnung) benötigt. Dieses Volumen bestimmt auch entscheidend die Volumenveränderung der Flüssigkeit beim Lösen eines Gases. Diese Volumenexpansion kann bei einem „gutlöslichen“ Gas bei Löslichkeitsdrücken von ca. 10 MPa bis 20 Prozent des Volumens der reinen ionischen Flüssigkeit betragen. Für „gutlösliche“ Gase konnte durch eine Auswertung der während der Messungen angefallenen volumetrischen Daten, dieses partielle molare Volumen bestimmt und damit die Krichevsky-Kasarnowsky-Korrektur berechnet werden. Bei hohen Drücken (d.h. hohen Gaskonzentrationen) muss darüber hinaus auch der Aktivitätskoeffizient des gelösten Gases berücksichtigt werden. Dieser wurde mit Hilfe eines ursprünglich von Pitzer für wässrige Elektrolytlösungen angegebenen empirischen Ansatzes für die Gibbssche Exzessenergie ausgedrückt. Die darin erforderlichen Wechselwirkungsparameter wurden – unter Verwendung der jeweiligen Henryschen Konstanten und des partiellen molaren Volumens des gelösten Gases - aus den experimentell bestimmten Gaslöslichkeitsdaten ermittelt. Für „schlecht lösliche“ Gase erlaubten die volumetrischen Daten keine zuverlässige Bestimmung des partiellen molaren Volumens des Gases. Allerdings sind dann i.d.R. die Konzentrationen des gelösten Gases in der ionischen Flüssigkeit auch bei hohen Drücken so gering, dass eine Berücksichtigung der Aktivitätskoeffizienten nicht erforderlich ist. Deshalb konnte in diesen Fällen, das partielle molare Volumen des Gases unmittelbar durch eine Anpassung an die Gaslöslichkeitsdaten - unter Verwendung der jeweiligen Henryschen Konstanten beim Druck null - bestimmt werden. Die so erhaltenen Korrelationen (Henrysche Konstante, partielles molares Volumen des Gases in unendlicher Verdünnung im Lösungsmittel und (teilweise) Wechselwirkungsparameter des Pitzerschen Ansatzes) geben die experimentell bestimmten Gaslöslichkeiten im Rahmen der experimentellen Unsicherheiten wieder.
Zur Auslegung von Rührwerken der Biogasapplikationen sind rheologische Kenntnisse über das zu rührende Medium von großer Bedeutung. Diese Kenntnisse sind jedoch meist nicht vorhanden. Eine Bestimmung der rheologischen Größen dieser Medien mit konventionellen Verfahren ist in der Regel nicht möglich. Herkömmliche Verfahren nutzen zur Bestimmung der rheologischen Größen oft eine Auswertung des laminaren Geschwindigkeitsprofils in einem bekannten Spalt aus. In diesem Spalt kann es infolge der großen Anzahl an Festkörpern zu Misch- und Festkörperreibung kommen, die das Messergebnis verfälschen, oder die Messung unmöglich machen. Diese Arbeit hat zum Ziel ein Verfahren zu entwickeln, das die Bestimmung der Fließkurve von inhomogenen, nicht-Newtonschen Medien ermöglicht. Hierzu wird der Leistungsbedarf eines Rührwerks untersucht und mit Hilfe des Verfahrens von Rieger und Novak eine Viskositätskurve in Abhängigkeit der Rührerdrehzahl gebildet. Mit dem Verfahren von Metzner und Otto kann anschließend auf die scheinbare Viskosität eines Mediums geschlossen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass das Verfahren nach Metzner und Otto von dem zu rührenden nicht-Newtonschen Fluid beeinflusst wird. Weiterhin konnte der konstante Charakter der Metzner-Otto Größe nicht bestätigt werden. Daher wird ein alternatives Verfahren entwickelt und vorgestellt. Im Verlauf der Arbeit wird ein Propellerviskosimeter entwickelt und kalibriert. Die nötigen Kalibrierungsschritte werden erläutert und vorgeführt. Neben der experimentelle Versuchsdurchführung erfolgt dies mit numerischen Methoden. Weiterhin wird ein exemplarischer Messvorgang mit einer Realsubstratprobe durchgeführt.