In dieser Arbeit wurden drei zentrale Themen der PVD-Sputter-Dünnschichtherstellung sowie der Herstellung von Cr-Al-C-Dünnschichten adressiert. Diese sind der Einfluss des Beschichtungsprozesses und des Substrates auf die Schichteigenschaften im abgeschiedenen Zustand, die Cr2AlC-Phasenentstehung aus Cr-Al-C-Schichten mit amorpher und metastabiler Phase und die Entwicklung und Stabilität von Eigenspannungen während thermo-zyklischer und isothermer Beanspruchung. Für die Untersuchungen zum Einfluss des Beschichtungsprozesses wurden die für das Schichtwachstum relevante thermische Energie auf der Substratoberfläche und kinetische Energie der Beschichtungsspezies in einem möglichst weiten Spektrum variiert. Dies wurde durch die Verwendung der PVD-Beschichtungsverfahren HPPMS und DCMS in Kombination mit der Variation der Kammertemperatur und der Bias-Spannung realisiert. Der Fokus für den Einfluss des Substrates wurde auf die Materialeigenschaften spezifischer Widerstand und CTE gelegt. Der spezifische Widerstand beeinflusst die Wirkung der Bias-Spannung und somit die Schichteigenschaften im abgeschiedenen Zustand, während der CTE vor allem die thermisch induzierten Eigenspannungen infolge von Aufheizung und Abkühlung bestimmt. Für die Beschichtungen in dieser Arbeit wurden die Substrate IN718, WC-Co sowie Rubalit genutzt. Für die Untersuchungen der Phasenzusammensetzung, Cr2AlC-Phasenentstehung und Eigenspannungsentwicklung wurden in-situ und ex-situ Synchrotron- und Labor-XRD-Experimente genutzt. Diese Experimente wurden durch die Methoden der Elektronenmikroskopie und energiedispersiven Röntgenspektroskopie für die Betrachtung der Mikrostruktur und Elementanalyse ergänzt. Die Cr-Al-C-Schichten bestanden im abgeschiedenen Zustand aus einer amorphen Phase und kristallinem, metastabilem (Cr,Al)2C. Das Verhältnis dieser beiden Phasen wurde deutlich durch den Beschichtungsprozess bestimmt. Für die DCMS-Schichten mit geringer Bias-Spannung wurde qualitativ der höchste Gehalt an (Cr,Al)2C festgestellt, während die HPPMS-Schichten mit der höchsten Bias-Spannung den geringsten Gehalt an (Cr,Al)2C zeigten. Es konnte festgestellt werden, dass sowohl eine Erhöhung der Kammertemperatur von 600 °C auf 700 °C als auch die Reduktion der Bias-Spannung von −100 V auf −70 V zu einer Erhöhung des kristallin zu amorph Verhältnisses führte. Die Mikrostruktur der kristallinen Bereiche der Schichten auf IN718 und WC-Co reichte von gröberen, kolumnaren Körnern mit ausgeprägten Korngrenzen für die DCMS-Schichten bis zu einer fein-kolumnaren Mikrostruktur für die HPPMS-Schichten. Die in-situ Synchrotron Untersuchungen ermöglichten die Aufklärung der Cr2AlC-Phasenentstehung durch eine sehr hohe Zeit- und Temperaturauflösung. Die Ergebnisse bestätigten die folgenden Umwandlungsschritte für die Bildung von Cr2AlC aus der amorphen Phase und (Cr,Al)2C. - Amorphes Cr-Al-C und (Cr,Al)2C zu dis.-Cr2AlC - dis.-Cr2AlC zu Cr2AlC Die Erkenntnisse führen zudem zu einer neuen Definition der Cr2AlC-Phasenentstehung. Darüber hinaus können auf Basis der Ergebnisse aus den in-situ Synchrotron und Labor-XRD Experimenten folgende weitere Erkenntnisse formuliert werden: - Cr2AlC weist mindestens zwei metastabile Phasen auf – (Cr,Al)2C und dis.-Cr2AlC. - (Cr,Al)2C ist eine metastabile Phase, die während der Beschichtung entstehen kann. - dis.-Cr2AlC ist die Phase, die den Übergangszustand der Cr2AlC-Phasenentstehung aus einer amorphen Phase oder (Cr,Al)2C infolge einer nachträglichen Wärmebehandlung charakterisiert. - Der Übergangszustand während der Cr2AlC-Phasenentstehung ist durch einen Ordnungsprozess der Atome in der dis.-Cr2AlC-Elementarzelle mit steigender Temperatur und/oder Zeit bestimmt. - Die Bildung von Cr2AlC aus der amorphen Phase oder (Cr,Al)2C wird durch Diffusionsprozesse kontrolliert. Für die Bildungstemperaturen der Cr2AlC-Phasenumwandlung mit konstanter Aufheizrate von 30 K/min wurde eine Abhängigkeit vom Beschichtungsprozess festgestellt, wobei für den DCMS-Prozess die geringsten Bildungstemperaturen für dis.-Cr2AlC und Cr2AlC bestimmt wurden. Die Unterschiede sind vermutlich auf die Temperatur- und Zeitabhängigkeit der ablaufenden Diffusionsprozesse für die Bildung der Phasen zurückzuführen. Die Cr-Al-C-Schichten bestanden nach abgeschlossener Cr2AlC-Phasenentstehung primär aus Cr2AlC mit Cr7C3-Anteilen, die von der Elementzusammensetzung der Schichten im abgeschiedenen Zustand bestimmt wurden. So zeigten die HPPMS-Schichten und ehemaligen amorphen Bereiche erhöhte Cr7C3-Gehalte. Die Analyse der Eigenspannungen in den Cr-Al-C-Schichten im abgeschiedenen Zustand offenbarte eine deutliche Steigerung der lateralen intrinsischen Druckeigenspannungen für die HPPMS-Schichten im Vergleich zu den DCMS-Schichten. Diese ist das Resultat des erhöhten Ionenbombardements der wachsenden Schicht. Die Untersuchungen zum Eigenspannungszustand in den abgeschiedenen Cr-Al-C-Schichten führten darüber hinaus zu folgenden Erkenntnissen: - Es konnten keine Eigenspannungen in den kristallinen (Cr,Al)2C-Bereichen nachgewiesen werden. - Die amorphe Phase wirkt als Puffer für Eigenspannungen. - Hohe laterale intrinsische Druckeigenspannungen reduzieren die entstehenden lateralen thermischen Zugeigenspannungen für Schichten auf WC-Co und steigern die lateralen thermischen Druckeigenspannungen für Schichten auf IN718 während der Abkühlung von der Beschichtungstemperatur. - Die intrinsischen Eigenspannungen wirken nahezu planar, während thermisch induzierte Eigenspannungen zu triaxialen Spannungszuständen führen. Für Temperaturen von 700 °C und Haltezeiten von 2 h sowie für höhere Temperaturen wurde die Relaxation der intrinsischen Eigenspannungen festgestellt. Die Entwicklung der thermischen Eigenspannungen in den Cr-Al-C-Schichten wurde für drei aufeinanderfolgende Temperaturzyklen zwischen 100 °C und 900 °C untersucht. Aufgrund dessen, dass die intrinsischen Eigenspannungen bereits während der ersten Aufheizung auf 900 °C relaxierten, wurde der Eigenspannungszustand ausschließlich durch reversible thermische Eigenspannungen infolge der CTE-Unterschiede zwischen den Cr-Al-C-Schichten und den Substraten bestimmt. Für die Schichten auf IN718 konnte während der Abkühlung die Entstehung von lateralen Druckeigenspannungen, die mit vertikalen Zugeigenspannungen verbunden waren, festgestellt werden. Die Schichten auf WC-Co zeigten bei einer Abkühlung hingegen laterale Zugeigenspannungen, die mit vertikalen Druckeigenspannungen verbunden waren. Zudem konnte qualitativ der reversible Charakter der Eigenspannungen nachgewiesen werden, da der Eigenspannungsaufbau und -abbau für alle drei untersuchten Zyklen nahezu identisch verlief. Abschließend wurden die Schicht-Substrat-Kombinationen hinsichtlich möglicher Schädigungsmechanismen untersucht. Es zeigte sich, dass hohe laterale thermische Zugeigenspannungen in den Cr-Al-C-Schichten auf WC-Co zur Rissbildung in der Schicht führen. Im Falle des IN718-Substrates konnte eine Degradation der Schichten infolge von Interdiffusion festgestellt werden, da die verwendete TiAlN Interdiffusionsbarriere infolge von hohen intrinsischen Zugeigenspannungen versagte.:1 Einleitung 1 2 Stand der Forschung 5 2.1 Cr2AlC-MAX-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Cr2AlC – Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Cr2AlC – Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.3 Cr2AlC – metastabile Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Schichtherstellung mittels Magnetronsputtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.1 Magnetronsputtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2 Vergleich von Direct Current Magnetron Sputtering und High Power Pulsed Magnetron Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.3 Vergleichbarkeit von Beschichtungsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.4 Einfluss des Beschichtungsverfahrens und der Beschichtungsparameter auf die Phasenentstehung von Cr-Al-C-Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 Eigenspannungen in Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Entstehung von Eigenspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2 Relaxation von Eigenspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4 Röntgenographische Eigenspannungsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3 Experimentelles Vorgehen 23 3.1 Schichtherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Schichtcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.1 Elektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.2 In-situ und ex-situ Röntgendiffraktometrieanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.2.1 Ex-situ Synchrotron-Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.2.2 In-situ Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . 27 3.2.3 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4 Ergebnisse und Diskussion 31 4.1 Cr-Al-C-Schichten im abgeschiedenen Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.1 Mikrostruktur und Elementzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.2 Phasenzusammensetzung, Textur und Bestimmung der Gitterparameter von (Cr,Al)2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1.2.1 Phasenzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 IInhaltsverzeichnis 4.1.2.2 (Cr,Al)2C-Textur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1.2.3 Bestimmung der Gitterparameter von (Cr,Al)2C . . . . . . . . . . . 40 4.1.3 Einordnung der Phasenzusammensetzung der abgeschiedenen Cr-Al-C-Schichten in den aktuellen Literaturstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Cr2AlC-Phasenentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2.1 In-situ Untersuchungen zur Cr2AlC-Phasenentstehung in Cr-Al-C-Schichten 44 4.2.2 Einfluss der Unordnung der Cr2AlC-Elementarzelle auf die Röntgenbeugung 53 4.2.3 Einordnung der Phasenumwandlungstemperaturen in den aktuellen Literaturstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.4 Textur und Texturvererbung während der Cr2AlC-Phasenentstehung . . . . . 60 4.2.5 Einfluss der Beschichtungsparameter auf die Phasenzusammensetzung nach erfolgter Cr2AlC-Bildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3 Eigenspannungen in Cr-Al-C-Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3.1 Eigenspannungen im abgeschiedenen Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3.2 Eigenspannungsentwicklung und -stabilität während thermischer Belastung . 71 4.3.3 Schichtversagen infolge thermisch induzierter Eigenspannungen . . . . . . . 77 5 Zusammenfassung 81 Literaturverzeichnis 85 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 97 A 𝑄-Azimut Heat Maps von Einzelmessungen der Synchrotron Experimente 101

Das unerwünschte Aufwachsen oder Anhaften von Eis an z.B. Windenergieanlagen und Wärmetauschern kann zum Funktionsverlust oder zur temporären Stilllegung der gesamten technischen Anlage führen. Bekannte Abwehrmechanismen sind das aktive Beheizen der Oberflächen oder der Einsatz von Enteisungschemikalien. Um den Verbrauch der hierfür benötigten elektrischen Energie oder Enteisungsmittel zu minimieren, werden in zunehmendem Maß passive Oberflächenbeschichtungen zur Gefrierverzögerung und Adhäsionsminimierung entwickelt. Der Einsatz pyroelektrischer Materialien bietet einen Lösungsansatz, der über bisher bekannte Abwehrstrategien hinausgeht. Es wird angenommen, dass pyroelektrisch generierte Oberflächenladungen während der Abkühlung entweder förderlich oder verzögernd auf die Eiskeimbildung wirken können. Dünne Schichten aus pyroelektrischem Poly-(Vinylidenfluorid - co - Trifluorethylen) haben wegen ihrer leichten Verarbeitbarkeit, hohen Flexibilität und pyroelektrischen Eigenschaften Interesse an ihrer Anwendung als funktionelle Beschichtung geweckt. Für eine industrielle Anwendung von P(VDF-TrFE) ist jedoch ein vertieftes Verständnis darüber erforderlich, wie sich der Beschichtungsprozess auf die resultierende Kristallinität, kristallographische Orientierung und Rauheit auswirkt. Die Morphologie teilkristalliner P(VDF-TrFE)-Beschichtungen wurde in dieser Arbeit in Abhängigkeit der Beschichtungsmethode, des Lösungsmittels, der Schichtdicke und der Wärmebehandlung mithilfe von Röntgenweitwinkelstreuung, Röntgenreflektometrie und Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie untersucht. Mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie- und Kontaktwinkel-Messungen wurden die resultierende Topographie und Rauheit der Schichten überprüft. Auf Grundlage der Ergebnisse dieser Messungen kann die dominierende edge-on Orientierung der P(VDF-TrFE)-Polymerketten entweder mit einem transkristallin-artigen Mechanismus oder Konfinement-Effekten erklärt werden. An den P(VDF-TrFE)-Dünnschichten wurde eine Vielzahl von Vereisungsexperimenten mit aufliegenden Wassertropfen durchgeführt, um den Einfluss der verschiedenen Schichtparameter wie Polarisierungsrichtung, Schichtdicke, verwendetes Lösungsmittel, Beschichtungstechnologie, Substrat und Wärmebehandlung auf die erreichbare Gefrierverzögerung unabhängig voneinander zu ermitteln. Die Rauheit der Schichten sowie substratspezifische Entnetzungserscheinungen veränderten hierbei signifikant die Verteilung der Gefriertemperaturen von Wassertropfen in Kontakt mit den P(VDF-TrFE)-Dünnschichten. Im Gegensatz dazu wurde kein signifikanter Einfluss der Dicke, Morphologie oder des pyroelektrischen Effekts auf die erreichbare Gefrierverzögerung gefunden. Es kann demnach geschlussfolgert werden, dass die heterogene Eiskeimbildung stärker durch lokale Rauheiten im nm-Bereich beeinflusst wird als durch integrale Eigenschaften wie beispielsweise Oberflächenladungen. Die Eisadhäsion auf P(VDF-TrFE) wird hauptsächlich durch Rauheiten im µm-Bereich, die Umgebungstemperatur und den Ionengehalt der flüssigen Phase bestimmt. Auch hier konnte kein signifikanter Einfluss geladener Oberflächen auf die Haftfestigkeit von Eis ausfindig gemacht werden. Statistische Tests ergaben, dass die Verteilung der Gefriertemperaturen unabhängiger Tropfen auf Oberflächen einem Spezialfall der Extremwertstatistik, der so genannten Gumbel-Verteilung, entspricht. Dies ermöglicht die Definition neuartiger Temperaturkennwerte für die Weiterentwicklung und Prüfung von Anti-Eis-Oberflächen.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung und Motivation 2. Stand der Forschung 2.1. Pyroelektrika 2.1.1. Der pyroelektrische Effekt 2.1.2. Pyroelektrische Werkstoffe 2.1.3. Stabilität pyroelektrischer Materialien in wässrigen Medien 2.1.4. PVDF und P(VDF-TrFE) 2.2. Elektrochemische Doppelschicht 2.2.1. Aufbau und Modelle 2.2.2. Ursachen für Ladungen an Grenzflächen 2.2.3. Isoelektrischer Punkt und Ladungsnullpunkt 2.2.4. Orientierung von Wassermolekülen in der EDL 2.3. Vereisung 2.3.1. Wasser und Eis 2.3.2. Anti-Eis Strategien 2.3.3. Gefrierverzögerung 2.3.4. Eisadhäsion 2.4. Pyroelektrika in wässrigen Medien 2.4.1. Charakterisierungsmöglichkeiten 2.4.2. Anwendungsfelder 3. Materialien und Methoden 3.1. Materialien 3.2. Herstellung pyroelektrischer Beschichtungen 3.3. Schichtcharakterisierung 3.4. Vereisungsneigung 3.5. Statistische Methoden 4. Ergebnisse 4.1. Charakterisierung der P(VDF-TrFE) Beschichtungen 4.1.1. Schichtdicke (Ellipsometrie) und mechanische Eigenschaften 4.1.2. Morphologie (DSC, GIWAXS, XRR, IRRAS) 4.1.3. Elektrische Eigenschaften 4.1.4. Topographie (AFM und Kontaktwinkel) 4.2. Vereisungsneigung von P(VDF-TrFE) 4.2.1. Gefrierverzögerung 4.2.2. Eisadhäsion 4.3. Vergleichsmessungen auf poliertem Aluminium 4.3.1. Kontaktwinkel 4.3.2. Gefrierverzögerung 4.3.3. Eisadhäsion 5. Diskussion 5.1. Schichtherstellung, -charakterisierung und -eignung 5.1.1. Schichtdicke 5.1.2. Eignung der Charakterisierungsmethoden 5.1.3. Vergleich von Dip- und Spin-Coating 5.1.4. Eignung von P(VDF-TrFE) für Anti-Eis-Beschichtungen 5.2. Anti-Eis-Eigenschaften 5.2.1. Erreichbare Gefrierverzögerung 5.2.2. Eisadhäsion 6. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Veröffentlichungen Anhang / Active de-icing of technical surfaces, such as for wind turbines and heat exchangers, currently requires the usage of heat or chemicals. Passive coating strategies that either postpone the freezing of covering water droplets or lower the ice adhesion strength would be beneficial in order to save costs and energy. One hypothesis is that pyroelectric active materials can either delay or promote heterogeneous ice nucleation because of the surface charges generated when these materials are subject to a temperature change. Pyroelectric poly-(vinylidene fluoride - co - trifluoroethylene) P(VDF-TrFE) thin films have created interest in their application because of their easy processibility, high flexibility and ferroelectric properties. The industrial application of P(VDF-TrFE) requires an understanding of the deposition process of films and in particular the resulting crystallinity, crystallographic orientation and roughness. In this work it has been proposed that an interface-mediated crystallization process occurs when P(VDF-TrFE) thin films are deposited from a solvent, resulting in a dominantly edge-on orientation caused either by a transcrystallinity mechanism or confinement effect. The morphology of the semi-crystalline thin film was studied as a function of the deposition method, solvent, film thickness and annealing temperature by grazing incidence wide-angle X-ray scattering, X-ray reflectometry and infrared reflection absorption spectroscopy. Atomic force microscopy measurements were used to examine the resulting topography and contact angle measurements to additionally verify the low roughness of the coatings. Freezing experiments with water droplets subjected to a cooling rate of 1K/min were made on P(VDF-TrFE) coatings in order to separate the effect of the different film parameters such as the poling direction, film thickness, used solvent, deposition process, underlying substrate and annealing temperature on the achievable supercooling. The topography and substrate-specific dewetting effects significantly changed the distribution of freezing temperatures of water droplets in contact with the P(VDF-TrFE) thin films. In contrast, no significant effect of the thickness, morphology or pyroelectric effect of the as-prepared domain-state on the freezing temperatures was found. Statistical tests revealed that the distribution of freezing temperatures of individual droplets deposited on surfaces match a special case of extreme-value statistics, the so-called Gumbel-distribution. This allows for the definition of novel parameters for the development and testing of anti-icing surfaces. The adhesion strength of ice to P(VDF-TrFE) is mainly determined by the topography, temperature and ion-content of the liquid phase. In contrast, surface charges do not significantly influence the ice adhesion strength.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung und Motivation 2. Stand der Forschung 2.1. Pyroelektrika 2.1.1. Der pyroelektrische Effekt 2.1.2. Pyroelektrische Werkstoffe 2.1.3. Stabilität pyroelektrischer Materialien in wässrigen Medien 2.1.4. PVDF und P(VDF-TrFE) 2.2. Elektrochemische Doppelschicht 2.2.1. Aufbau und Modelle 2.2.2. Ursachen für Ladungen an Grenzflächen 2.2.3. Isoelektrischer Punkt und Ladungsnullpunkt 2.2.4. Orientierung von Wassermolekülen in der EDL 2.3. Vereisung 2.3.1. Wasser und Eis 2.3.2. Anti-Eis Strategien 2.3.3. Gefrierverzögerung 2.3.4. Eisadhäsion 2.4. Pyroelektrika in wässrigen Medien 2.4.1. Charakterisierungsmöglichkeiten 2.4.2. Anwendungsfelder 3. Materialien und Methoden 3.1. Materialien 3.2. Herstellung pyroelektrischer Beschichtungen 3.3. Schichtcharakterisierung 3.4. Vereisungsneigung 3.5. Statistische Methoden 4. Ergebnisse 4.1. Charakterisierung der P(VDF-TrFE) Beschichtungen 4.1.1. Schichtdicke (Ellipsometrie) und mechanische Eigenschaften 4.1.2. Morphologie (DSC, GIWAXS, XRR, IRRAS) 4.1.3. Elektrische Eigenschaften 4.1.4. Topographie (AFM und Kontaktwinkel) 4.2. Vereisungsneigung von P(VDF-TrFE) 4.2.1. Gefrierverzögerung 4.2.2. Eisadhäsion 4.3. Vergleichsmessungen auf poliertem Aluminium 4.3.1. Kontaktwinkel 4.3.2. Gefrierverzögerung 4.3.3. Eisadhäsion 5. Diskussion 5.1. Schichtherstellung, -charakterisierung und -eignung 5.1.1. Schichtdicke 5.1.2. Eignung der Charakterisierungsmethoden 5.1.3. Vergleich von Dip- und Spin-Coating 5.1.4. Eignung von P(VDF-TrFE) für Anti-Eis-Beschichtungen 5.2. Anti-Eis-Eigenschaften 5.2.1. Erreichbare Gefrierverzögerung 5.2.2. Eisadhäsion 6. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Veröffentlichungen Anhang

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine experimentelle Untersuchung der Schichtbildung von nichtnewtonschen Flüssigkeiten im Tiefdruckverfahren auf nicht saugfähigen Substraten. Das fluiddynamisch bedingte „viscous fingering“ beim Farbspaltungsprozess soll mittels Hydrophobieren der Druckform gehemmt werden. Ziel ist es, möglichst homogene sowie wellenfreie Schichten zu erzeugen. Um ein direkt miteinander vergleichbares Druckergebnis zu erhalten, wird der Druckstoff parallel mit einer unbehandelten und hydrophobierten Form bedruckt. Als Druckstoff werden anstelle von Druckfarbe funktionale Materialien (vorzugsweise PEDOT:PSS) verwendet und variiert, wobei die elektrischen und geometrischen Schichteigenschaften, beispielsweise der elektrische Widerstand und die Rauheit, zur Ermittlung der gesetzten Ziele untersucht wurden. Hiermit und mittels Nutzung einer hydrophobierten Druckform kann eine deutliche Minderung der Wellenbildung (viscous fingering) bei vielen Druckstoffarten beobachtet werden. Die Minderung des viscous fingering im Farbspaltungsprozess und eine nahezu vollständige Leerung der hydrophobierten Tiefdruckform haben einen wesentlichen Nutzwert für den künftigen Einsatz nicht nur für die „gedruckte Elektronik“. / In this work is described experimental research about layer forming from non-Newtonian fluids in gravure printing on non-porous substrates. The viscous fingering, caused through fluid dynamics at splitting of printed material should be decreased by hydrophobic-surface modification of gravure printing form. The aim was to print wave-free homogenous layers. To achieve comparable results, modified and pure form were used simultaneously to print the same material. The printed material was mainly PEDOT:PSS and other, which is used in printed electronics. The properties (surface tension, viscosity) of printed materials were varied by additives. Printing conditions were varied too. The characteristic of printed layers were studied: resistivity, roughness, density, etc. The results shows decreasing of waviness, roughness and viscous fingering in final layer through use of hydrophobic gravure printing form, compared to print results with common printing form. This can be applied not only in the field of printed electronics.

In der vorliegenden Arbeit wird ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik für Verfahren und Werkstoffe des Titanlötens das Kaltgasspritzen in seiner Eignung als Vorbelotungsprozess beim löttechnischen Fügen von Titanlegierungen untersucht und qualifiziert. Die Parameter des Beschichtungsvorgangs werden dabei mit den resultierenden Schichtgefügen und späteren Lötergebnissen korreliert, wodurch eine Bewertung ermöglicht und ein Beitrag zum Verständnis der Mechanismen einer spritztechnischen Vorbelotung geliefert wird. Es werden dabei sowohl materialografische als auch mechanische Charakterisierungen durchgeführt. Ergänzt werden die Arbeitspunkte durch eine hochauflösende TEM-Untersuchung der Grenzfläche von kaltgasgespritzten Zink-Schichten und Aluminium-Substraten, die der Überprüfung theoretischer Erkenntnisse zum Haftungsmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf Leichtmetallsubstraten dient. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und Folgerung und gibt Empfehlungen für weiterführende Forschungen auf diesem Gebiet.:1 Einleitung und Problemstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Leichtmetalle als Konstruktionswerkstoffe 2.1.1 Aluminium 2.1.2 Magnesium 2.1.3 Titan 2.2 Titan und Titanlegierungen als Konstruktionswerkstoffe 2.3 Stoffschlüssiges Fügen von Titan und Titanlegierungen 2.3.1 Kleben und Schweißen von Titanwerkstoffen 2.3.2 Löten von Titanwerkstoffen 2.3.2.1 Begriffe des Lötens 2.3.2.2 Löten von Titan und Titanlegierungen 2.3.2.3 Hartlote zum Löten von Titan und Titanlegierungen 2.3.2.4 Das Dreistoffsystem Titan-Kupfer-Nickel 2.4 Thermisches Spritzen 2.4.1 Begriffe des Thermischen Spritzens 2.4.2 Verfahren des Thermischen Spritzens 2.4.3 Kaltgasspritzen 2.4.3.1 Prozesstechnische und physikalische Grundlagen des Kaltgasspritzprozesses 2.4.3.2 Haftungsmechanismen kaltgasgespritzter Schichten 2.4.3.3 Eigenschaften kaltgasgespritzter Schichten 3 Folgerungen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik 4 Zielsetzung 5 Versuchsdurchführung 5.1 Voruntersuchungen mit Aluminiumsubstraten 5.1.1 Metallografische TEM-Untersuchungen 5.2 Untersuchungen mit TiAl 6 V 4-Substraten 5.2.1 Versuchsplanung 5.2.2 Kaltgasspritzen von Lotschichten 5.2.3 Vakuumdiffusionslöten 5.2.4 Metallografische Charakterisierung 5.2.5 Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen 6 Ergebnisse 6.1 Voruntersuchungen mit Aluminiumsubstraten 6.1.1 AlSi 12-CGS-Lotschichten 6.1.2 Zn-basierte CGS-Lotschichten 6.1.3 Metallografische TEM-Untersuchungen 6.1.4 Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse mit Aluminiumsubstraten 6.2 Untersuchungen mit TiAl 6 V 4-Substraten 6.2.1 Kaltgasspritzen von Lotschichten 6.2.2 Lötverbindungen 6.2.2.1 Metallografische Charakterisierung der Ti-Cu-Ni-Schichtlotfolien 6.2.2.2 Metallografische Charakterisierung der Lötverbindungen 6.2.2.3 Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen 7 Ergebnisdiskussion 7.1 Kaltgasspritzen von Lotschichten auf TiAl 6 V 4-Substraten 7.2 Charakterisierung von TiAl 6 V 4-Lötverbindungen 7.3 Bewertung der Ergebnisse mit TiAl 6 V 4-Substraten 8 Folgerungen 9 Zusammenfassung 10 Quellennachweis / The present work qualifies the cold gas dynamic spray process (CGS) as a process for the application of braze filler coatings onto titanium alloy substrates. The work program results from needs and problems that were identified in the state-of-the-art of science and technology. The parameters of the coating process are correlated with the resulting coating microstructures and the posterior brazing results. Materialographic and mechanic characterisations of the filler coatings and braze seams are carried out. Thereby, an evaluation of the braze filler application by cold gas spraying is permitted. In addition, high-resolution TEM investigations within the interfaces of a cold sprayed zinc coating and an aluminium base material proof the theory of the bonding mechanisms of CGS coatings on light weight metals. The work discusses the achieved results and gives an outlook to continuative investigations in this field of science.:1 Einleitung und Problemstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Leichtmetalle als Konstruktionswerkstoffe 2.1.1 Aluminium 2.1.2 Magnesium 2.1.3 Titan 2.2 Titan und Titanlegierungen als Konstruktionswerkstoffe 2.3 Stoffschlüssiges Fügen von Titan und Titanlegierungen 2.3.1 Kleben und Schweißen von Titanwerkstoffen 2.3.2 Löten von Titanwerkstoffen 2.3.2.1 Begriffe des Lötens 2.3.2.2 Löten von Titan und Titanlegierungen 2.3.2.3 Hartlote zum Löten von Titan und Titanlegierungen 2.3.2.4 Das Dreistoffsystem Titan-Kupfer-Nickel 2.4 Thermisches Spritzen 2.4.1 Begriffe des Thermischen Spritzens 2.4.2 Verfahren des Thermischen Spritzens 2.4.3 Kaltgasspritzen 2.4.3.1 Prozesstechnische und physikalische Grundlagen des Kaltgasspritzprozesses 2.4.3.2 Haftungsmechanismen kaltgasgespritzter Schichten 2.4.3.3 Eigenschaften kaltgasgespritzter Schichten 3 Folgerungen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik 4 Zielsetzung 5 Versuchsdurchführung 5.1 Voruntersuchungen mit Aluminiumsubstraten 5.1.1 Metallografische TEM-Untersuchungen 5.2 Untersuchungen mit TiAl 6 V 4-Substraten 5.2.1 Versuchsplanung 5.2.2 Kaltgasspritzen von Lotschichten 5.2.3 Vakuumdiffusionslöten 5.2.4 Metallografische Charakterisierung 5.2.5 Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen 6 Ergebnisse 6.1 Voruntersuchungen mit Aluminiumsubstraten 6.1.1 AlSi 12-CGS-Lotschichten 6.1.2 Zn-basierte CGS-Lotschichten 6.1.3 Metallografische TEM-Untersuchungen 6.1.4 Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse mit Aluminiumsubstraten 6.2 Untersuchungen mit TiAl 6 V 4-Substraten 6.2.1 Kaltgasspritzen von Lotschichten 6.2.2 Lötverbindungen 6.2.2.1 Metallografische Charakterisierung der Ti-Cu-Ni-Schichtlotfolien 6.2.2.2 Metallografische Charakterisierung der Lötverbindungen 6.2.2.3 Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen 7 Ergebnisdiskussion 7.1 Kaltgasspritzen von Lotschichten auf TiAl 6 V 4-Substraten 7.2 Charakterisierung von TiAl 6 V 4-Lötverbindungen 7.3 Bewertung der Ergebnisse mit TiAl 6 V 4-Substraten 8 Folgerungen 9 Zusammenfassung 10 Quellennachweis

In this work, an approach for copper atomic layer deposition (ALD) via reduction of CuxO films was investigated regarding applications in ULSI interconnects, like Cu seed layers directly grown on diffusion barriers (e. g. TaN) or possible liner materials (e. g. Ru or Ni) as well as non-ferromagnetic spacer layers between ferromagnetic films in GMR sensor elements, like Ni or Co. The thermal CuxO ALD process is based on the Cu (I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and a mixture of water vapor and oxygen ("wet O2") as co-reactant at temperatures between 100 and 130 °C. Highly efficient conversions of the CuxO to metallic Cu films are realized by a vapor phase treatment with formic acid (HCOOH), especially on Ru substrates. Electrochemical deposition (ECD) experiments on Cu ALD seed / Ru liner stacks in typical interconnect patterns are showing nearly perfectly filling behavior. For improving the HCOOH reduction on arbitrary substrates, a catalytic amount of Ru was successful introduced into the CuxO films during the ALD with a precursor mixture of the Cu (I) β-diketonate and an organometallic Ru precursor. Furthermore, molecular and atomic hydrogen were studied as promising alternative reducing agents.

Die Herstellung hochqualitativer Produkte in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie erfordert den Einsatz reproduzierbarer Reinigungsprozesse. Häufig wird die nasschemische Reinigung als Cleaning in Place Verfahren angewandt. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Optimierung von Reinigungsprozessen im nicht immergierten System insbesondere bei der Anwendung gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme. Inhalte sind Untersuchungen zum Benetzungs- und Strömungsverhalten im Vergleich zur Reinigungswirkung von Flüssigkeitsfilmen. Als Modellverschmutzungen wurden zwei lebensmitteltypische Bestandteile in Kombination mit partikulären Anteilen eingesetzt. Im Ergebnis konnte nachgewiesen werden, dass sich das Reinigungsverhalten der gewählten Verschmutzungen mit der Hydrodynamik am Beispiel von Flüssigkeitsfilmen beschreiben lässt. Zusätzlich wurde ein neuartiger Ansatz zur Optimierung der Reinigungseffizienz durch die Anwendung diskontinuierlicher Flüssigkeitsfilme untersucht. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der Ressourceneinsatz gegenüber einer kontinuierlichen Flüssigkeitsfilmströmung signifikant verringert werden kann, wobei die Reinigungszeit nur geringfügig steigt.:Danksagung ... II Inhaltsverzeichnis ... III Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen ... VI Abkürzungsverzeichnis ... XVI 1 Einleitung, Motivation und Gegenstand der Arbeit ... 1 2 Grundlagen der Reinigung ... 3 2.1 Begriffserklärung ... 3 2.2 Industrielle Reinigungsprozesse ... 3 2.2.1 Einordnung ... 3 2.2.2 Reinigungsgeräte für die Nassreinigung im nicht immergierten System ... 8 2.3 Reinigungsvorgänge im nicht immergierten System ... 10 2.3.1 Komponenten des Reinigungssystems ... 10 2.3.2 Schmutzhaftmechanismen ... 20 2.3.3 Reinigungsmechanismen und Wirkzusammenhänge ... 23 2.3.4 Reinigungskinetik ... 28 3 Methoden für Reinigungsuntersuchungen ... 32 3.1 Einordnung ... 32 3.2 Industrielle Methoden ... 33 3.3 Wissenschaftliche Methoden ... 35 4 Gravitationsgetriebene Flüssigkeitsfilmströmungen ... 37 4.1 Einteilung von Filmströmungen und Filmkennzahlen ... 37 4.2 Kennzahlen zur Oberflächenbenetzung ... 40 4.3 Filmdicke und Filmoberflächenwelligkeit ... 47 4.3.1 Modellvorstellungen und Kennzahlen ... 47 4.3.2 Experimentelle Methoden ... 50 4.4 Strömungsgeschwindigkeit ... 54 4.4.1 Modellvorstellungen und Kennzahlen ... 54 4.4.2 Experimentelle Methoden ... 58 5 Zielsetzung und Lösungsweg ... 61 5.1 Problemstellung ... 61 5.2 Arbeitshypothese ... 62 5.3 Vorgehen ... 62 5.4 Zusammenhang mit anderen Arbeiten ... 63 6 Material und Methoden ... 64 6.1 Auswahl Substrate ... 64 6.2 Topografiebestimmung ... 64 6.3 Kontaktwinkelmessung ... 66 6.4 Untersuchungsobjekt ... 68 6.5 Grundaufbau der Versuchsanlage ... 68 6.6 Auswahl der Flüssigkeit ... 70 6.7 Festlegung der Einstellparameter für die Strömungs- und Reinigungsmessungen ... 71 6.8 Charakterisierung des Stoffsystems ... 71 6.8.1 Quellverhalten ... 71 6.8.2 Bindungskräfte ... 77 6.9 Hydrodynamik ... 79 6.9.1 Oberflächenbenetzung ... 79 6.9.2 Filmdicke ... 85 6.9.3 Strömungsgeschwindigkeit ... 102 6.10 Reinigungsuntersuchungen ... 115 6.10.1 Auswahl der Modellverschmutzungen ... 115 6.10.2 Auswahl und Konzeption der Messdatenerfassung ... 117 6.10.3 Versuchsaufbau ... 119 6.10.4 Aufnahmeparameter ... 121 6.10.5 Benetzungseinfluss auf die Phosphoreszenzintensität ... 123 6.10.6 Methode zur reproduzierbaren Verschmutzung ebener Substrate ... 125 6.10.7 Überprüfung der Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Verschmutzungsmethode ... 128 6.10.8 Versuchsablauf ... 130 6.10.9 Messdatenaufbereitung und -auswertung ... 130 7 Versuchsauswertung und Ergebnisse ... 140 7.1 Charakterisierung der Verschmutzung ... 140 7.1.1 Quellverhalten ... 140 7.1.2 Bindungskräfte ... 144 7.1.3 Zusammenfassung der Verschmutzungscharakterisierung ... 150 7.2 Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 151 7.2.1 Oberflächenbenetzung ... 151 7.2.2 Filmdicke und Filmdickenverteilung ... 163 7.2.3 Strömungsgeschwindigkeit ... 171 7.2.4 Zusammenfassung der Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 180 7.3 Reinigungsverhalten gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 182 7.3.1 Reinigungskinetik ... 182 7.3.2 Gereinigte Zonen ... 185 7.3.3 Einfluss des Flächenverschmutzungsgewichtes ... 187 7.3.4 Einfluss der Betriebsparameter ... 188 7.3.5 Reinigungseffizienz ... 191 7.3.6 Einfluss der Oberfläche ... 193 7.3.7 Fehlerdiskussion ... 195 7.3.8 Zusammenfassung des Reinigungsverhaltens ... 197 8 Vergleich Reinigungsverhalten und Hydrodynamik gravitationsgetriebener Flüssigkeitsfilme ... 198 8.1 Vorbemerkungen zum Vergleich ... 198 8.2 Einfluss Strömungsparameter auf das Reinigungsverhalten ... 198 8.2.1 Einfluss der Filmdicke und Filmdickenverteilung ... 198 8.2.2 Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit ... 199 8.3 Einfluss abgeleiteter Größen auf das Reinigungsverhalten ... 201 8.3.1 Einfluss der Wandschubspannung ... 201 8.3.2 Einfluss der Grenzschichtdicke ... 202 8.4 Zusammenfassung des Vergleiches zwischen Reinigungsverhalten und Hydrodynamik ... 205 9 Optimierungsansatz: diskontinuierliche Flüssigkeitsfilme ... 207 10 Zusammenfassung und Ausblick ... 211 Literaturverzeichnis ... 214 Anhangverzeichnis ... 229

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Foulardierprozesses zur chemischen Nassausrüstung von Vliesstoffen bei Warengeschwindigkeiten bis zu 250 m/min. Hintergrund ist die abweisende Ausrüstung von Polypropylen-Spinnvliesstoffen für die Anwendung als Operationskittel. Wo bislang nach dem Stand der Technik eine Veredlung bei Lohnausrüstern bei geringen Warengeschwindigkeiten durchgeführt wurde, zeigt die Tendenz in der Vliesstoffindustrie in Richtung der eigenen Prozessbeherrschung. Eine grundlegende Voraussetzung, um den Foulardierprozess für diese Anwendung nutzbar zu machen, ist die Kenntnis über die Prozesseigenschaften bei den geforderten hohen Warengeschwindigkeiten. Für den abzudeckenden Versuchsraum mit sechs Einflussgrößen bei jeweils drei Faktorstufen wurde mittels der Methodik der statistischen Versuchsplanung ein D-optimaler Versuchsplan erstellt. Die Versuchsdurchführung erfolgte auf einem in eine Technikumsanlage eingebundenen Foulard mit horizontaler Walzenanordnung. Für jede der sieben Zielgrößen wurde auf Grundlage der erhaltenen Messwerte eine lineare Regressionsanalyse erstellt und ausgewertet. Eine detaillierte Analyse und Diskussion der Regressionsmodelle liefert Informationen zu Wirkungsrichtung und Intensität der einzelnen Einflussgrößen sowie zu Faktor-Faktor-Wechselwirkungen.:1 Einleitung 8 1.1 Ausgangspunkt 8 1.2 Produktionsmengen 8 1.3 Vliesstoffe in der medizinischen Anwendung 11 1.4 Vliesstoffauswahl 13 2 Wissenschaftlich-technische Problemstellung 16 2.1 Stand der Technik 16 2.2 Zielstellung und Vorgehensweise 21 3 Foulardierprozess: Prozessbeschreibung und Einflussgrößen 22 3.1 Foulardieren: Prozessbeschreibung 22 3.2 Foulardieren: Einflussgrößen 25 3.2.1 Einflussfaktoren Maschinendesign 25 3.2.2 Einflussfaktoren Verfahrensparameter 29 3.2.3 Einflussfaktoren Vliesstoffmaterial 30 3.2.4 Einflussfaktoren Imprägnierflotte 31 3.3 Einflussgrößen und Zielgrößen 33 4 Versuchsanordnung und Versuchsfoulard 34 4.1 Technikumsanlage am STFI 34 4.2 Versuchsfoulard 35 4.2.1 Horizontale Walzenanordnung 37 4.2.2 Hilfstrieb auf der S-Walze 38 4.2.3 Druckgebung und Quetschfugenbreite 38 4.2.4 Flottenführung 38 4.2.5 Niveauregelung, Flottenvolumen 39 4.2.6 Flottenverbrauch 40 4.2.7 Tauchstrecke, Verweilstrecke und Verweilzeit 42 4.2.8 Flottentemperatur 43 5 Material und Methoden 45 5.1 Vliesstoffmaterial 45 5.2 Ausrüstungsflotte 46 5.3 Mess- und Prüfmethoden 48 5.3.1 Feuchteaufnahme 48 5.3.2 Dicke 49 5.3.3 Luftdurchlässigkeit 50 5.3.4 Zugfestigkeit und Höchstzugkraftdehnung 50 6 Statistische Versuchsplanung und Regressionsanalyse 51 6.1 Vorbemerkung 51 6.2 D-optimale Versuchspläne 51 6.3 Versuchsplan 54 6.4 Darstellung des Versuchsraums 57 6.4.1 Faktor-Faktor-Kombinationen 57 6.4.2 Flottentemperatur TSoll versus TIst 58 6.5 Regressionsanalyse 59 6.5.1 Allgemeine Regressionsgleichung 59 6.5.2 Generelle Vorgehensweise 61 7 Regressionsanalyse für Zielgröße Feuchteaufnahme 62 7.1 Datenplausibilität der Zielgröße 62 7.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 64 7.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 64 7.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 69 7.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 75 7.3 Auswerten der Regressionsgleichung 76 7.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 76 7.3.2 Wechselwirkungen 85 7.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 90 8 Regressionsanalyse für Zielgröße Dicke 95 8.1 Datenplausibilität der Zielgröße 95 8.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 96 8.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 96 8.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 96 8.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 97 8.3 Auswerten der Regressionsgleichung 98 8.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 98 8.3.2 Wechselwirkungen 103 8.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 105 9 Regressionsanalyse für Zielgröße Luftdurchlässigkeit 107 9.1 Datenplausibilität der Zielgröße 107 9.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 107 9.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 107 9.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 108 9.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 109 9.3 Auswerten der Regressionsgleichung 110 9.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 110 9.3.2 Wechselwirkungen 115 9.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 118 10 Regressionsanalyse für Zielgröße Zugfestigkeit MD 120 10.1 Datenplausibilität der Zielgröße 120 10.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 120 10.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 120 10.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 121 10.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 122 10.3 Auswerten der Regressionsgleichung 123 10.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 123 10.3.2 Wechselwirkungen 128 10.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 131 11 Regressionsanalyse für Zielgröße Zugfestigkeit CD 133 11.1 Datenplausibilität der Zielgröße 133 11.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 133 11.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 133 11.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 134 11.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 135 11.3 Auswerten der Regressionsgleichung 136 11.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 136 11.3.2 Wechselwirkungen 140 11.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 141 12 Regressionsanalyse für Zielgröße Höchstzugkraftdehnung MD 143 12.1 Datenplausibilität der Zielgröße 143 12.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 144 12.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 144 12.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 144 12.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 145 12.3 Auswerten der Regressionsgleichung 146 12.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 146 12.3.2 Wechselwirkungen 151 12.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 153 13 Regressionsanalyse für Zielgröße Höchstzugkraftdehnung CD 155 13.1 Datenplausibilität der Zielgröße 155 13.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 155 13.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 155 13.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 156 13.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 157 13.3 Auswerten der Regressionsgleichung 158 13.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 158 13.3.2 Wechselwirkungen 160 13.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 161 14 Zusammenfassung 163 15 Ausblick 167 Literaturverzeichnis 169 Verzeichnis der Abbildungen 173 Verzeichnis der Tabellen 176 Verzeichnis der Anhänge 180 / The subject of the work presented here is the study of the padding process for the chemical wet finishing of nonwovens at web speeds up to 250 m/min. Background to the topic is the repellent treatment of polypropylene spunbond nonwovens applied for surgical gowns. Finishing carried out at subcontractors corresponding to best practice technology up to now, the trend in the nonwovens industry is turning towards an in-house process mastery. Essential requirement to make the padding process technologically exploitable for this kind of application is the knowledge of the process characteristics at the high web speeds claimed. For the experimental scenario to be covered comprising six determining factors at three level steps each, a D-optimal trial plan was defined using the statistic method of the design of experiments (DOE). The realization of the trials carried out on a padder with horizontal roll arrangement installed in a pilot line. For each of the seven responses a linear regression analyses was compiled and evaluated. A detailed analysis and discussion of the regression models provides information on direction of influence as well as intensity of each of the determining factors and factor-factor-interactions.:1 Einleitung 8 1.1 Ausgangspunkt 8 1.2 Produktionsmengen 8 1.3 Vliesstoffe in der medizinischen Anwendung 11 1.4 Vliesstoffauswahl 13 2 Wissenschaftlich-technische Problemstellung 16 2.1 Stand der Technik 16 2.2 Zielstellung und Vorgehensweise 21 3 Foulardierprozess: Prozessbeschreibung und Einflussgrößen 22 3.1 Foulardieren: Prozessbeschreibung 22 3.2 Foulardieren: Einflussgrößen 25 3.2.1 Einflussfaktoren Maschinendesign 25 3.2.2 Einflussfaktoren Verfahrensparameter 29 3.2.3 Einflussfaktoren Vliesstoffmaterial 30 3.2.4 Einflussfaktoren Imprägnierflotte 31 3.3 Einflussgrößen und Zielgrößen 33 4 Versuchsanordnung und Versuchsfoulard 34 4.1 Technikumsanlage am STFI 34 4.2 Versuchsfoulard 35 4.2.1 Horizontale Walzenanordnung 37 4.2.2 Hilfstrieb auf der S-Walze 38 4.2.3 Druckgebung und Quetschfugenbreite 38 4.2.4 Flottenführung 38 4.2.5 Niveauregelung, Flottenvolumen 39 4.2.6 Flottenverbrauch 40 4.2.7 Tauchstrecke, Verweilstrecke und Verweilzeit 42 4.2.8 Flottentemperatur 43 5 Material und Methoden 45 5.1 Vliesstoffmaterial 45 5.2 Ausrüstungsflotte 46 5.3 Mess- und Prüfmethoden 48 5.3.1 Feuchteaufnahme 48 5.3.2 Dicke 49 5.3.3 Luftdurchlässigkeit 50 5.3.4 Zugfestigkeit und Höchstzugkraftdehnung 50 6 Statistische Versuchsplanung und Regressionsanalyse 51 6.1 Vorbemerkung 51 6.2 D-optimale Versuchspläne 51 6.3 Versuchsplan 54 6.4 Darstellung des Versuchsraums 57 6.4.1 Faktor-Faktor-Kombinationen 57 6.4.2 Flottentemperatur TSoll versus TIst 58 6.5 Regressionsanalyse 59 6.5.1 Allgemeine Regressionsgleichung 59 6.5.2 Generelle Vorgehensweise 61 7 Regressionsanalyse für Zielgröße Feuchteaufnahme 62 7.1 Datenplausibilität der Zielgröße 62 7.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 64 7.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 64 7.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 69 7.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 75 7.3 Auswerten der Regressionsgleichung 76 7.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 76 7.3.2 Wechselwirkungen 85 7.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 90 8 Regressionsanalyse für Zielgröße Dicke 95 8.1 Datenplausibilität der Zielgröße 95 8.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 96 8.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 96 8.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 96 8.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 97 8.3 Auswerten der Regressionsgleichung 98 8.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 98 8.3.2 Wechselwirkungen 103 8.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 105 9 Regressionsanalyse für Zielgröße Luftdurchlässigkeit 107 9.1 Datenplausibilität der Zielgröße 107 9.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 107 9.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 107 9.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 108 9.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 109 9.3 Auswerten der Regressionsgleichung 110 9.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 110 9.3.2 Wechselwirkungen 115 9.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 118 10 Regressionsanalyse für Zielgröße Zugfestigkeit MD 120 10.1 Datenplausibilität der Zielgröße 120 10.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 120 10.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 120 10.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 121 10.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 122 10.3 Auswerten der Regressionsgleichung 123 10.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 123 10.3.2 Wechselwirkungen 128 10.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 131 11 Regressionsanalyse für Zielgröße Zugfestigkeit CD 133 11.1 Datenplausibilität der Zielgröße 133 11.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 133 11.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 133 11.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 134 11.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 135 11.3 Auswerten der Regressionsgleichung 136 11.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 136 11.3.2 Wechselwirkungen 140 11.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 141 12 Regressionsanalyse für Zielgröße Höchstzugkraftdehnung MD 143 12.1 Datenplausibilität der Zielgröße 143 12.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 144 12.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 144 12.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 144 12.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 145 12.3 Auswerten der Regressionsgleichung 146 12.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 146 12.3.2 Wechselwirkungen 151 12.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 153 13 Regressionsanalyse für Zielgröße Höchstzugkraftdehnung CD 155 13.1 Datenplausibilität der Zielgröße 155 13.2 Erstellen und Prüfen der Regressionsgleichung 155 13.2.1 Erstellen einer Regressionsgleichung 155 13.2.2 Bewertung der Güte der Regression, Residuenanalyse 156 13.2.3 Nachprüfen des Modells anhand von Beispieldaten 157 13.3 Auswerten der Regressionsgleichung 158 13.3.1 Intensität und Wichtung der Einflussgrößen 158 13.3.2 Wechselwirkungen 160 13.4 Grafische Darstellung des Gesamtmodells 161 14 Zusammenfassung 163 15 Ausblick 167 Literaturverzeichnis 169 Verzeichnis der Abbildungen 173 Verzeichnis der Tabellen 176 Verzeichnis der Anhänge 180

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine experimentelle Untersuchung der Schichtbildung von nichtnewtonschen Flüssigkeiten im Tiefdruckverfahren auf nicht saugfähigen Substraten. Das fluiddynamisch bedingte „viscous fingering“ beim Farbspaltungsprozess soll mittels Hydrophobieren der Druckform gehemmt werden. Ziel ist es, möglichst homogene sowie wellenfreie Schichten zu erzeugen. Um ein direkt miteinander vergleichbares Druckergebnis zu erhalten, wird der Druckstoff parallel mit einer unbehandelten und hydrophobierten Form bedruckt. Als Druckstoff werden anstelle von Druckfarbe funktionale Materialien (vorzugsweise PEDOT:PSS) verwendet und variiert, wobei die elektrischen und geometrischen Schichteigenschaften, beispielsweise der elektrische Widerstand und die Rauheit, zur Ermittlung der gesetzten Ziele untersucht wurden. Hiermit und mittels Nutzung einer hydrophobierten Druckform kann eine deutliche Minderung der Wellenbildung (viscous fingering) bei vielen Druckstoffarten beobachtet werden. Die Minderung des viscous fingering im Farbspaltungsprozess und eine nahezu vollständige Leerung der hydrophobierten Tiefdruckform haben einen wesentlichen Nutzwert für den künftigen Einsatz nicht nur für die „gedruckte Elektronik“. / In this work is described experimental research about layer forming from non-Newtonian fluids in gravure printing on non-porous substrates. The viscous fingering, caused through fluid dynamics at splitting of printed material should be decreased by hydrophobic-surface modification of gravure printing form. The aim was to print wave-free homogenous layers. To achieve comparable results, modified and pure form were used simultaneously to print the same material. The printed material was mainly PEDOT:PSS and other, which is used in printed electronics. The properties (surface tension, viscosity) of printed materials were varied by additives. Printing conditions were varied too. The characteristic of printed layers were studied: resistivity, roughness, density, etc. The results shows decreasing of waviness, roughness and viscous fingering in final layer through use of hydrophobic gravure printing form, compared to print results with common printing form. This can be applied not only in the field of printed electronics.

In der vorliegenden Arbeit wird ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik für Ver-fahren und Werkstoffe des Titanlötens das Kaltgasspritzen in seiner Eignung als Vorbelo-tungsprozess beim löttechnischen Fügen von Titanlegierungen untersucht und qualifiziert. Die Parameter des Beschichtungsvorgangs werden dabei mit den resultierenden Schichtgefügen und späteren Lötergebnissen korreliert, wodurch eine Bewertung ermöglicht und ein Beitrag zum Verständnis der Mechanismen einer spritztechnischen Vorbelotung geliefert wird. Es werden dabei sowohl materialografische als auch mechanische Charakterisierungen durchge-führt. Ergänzt werden die Arbeitspunkte durch eine hochauflösende TEM-Untersuchung der Grenzfläche von kaltgasgespritzten Zink-Schichten und Aluminium-Substraten, die der Über-prüfung theoretischer Erkenntnisse zum Haftungsmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf Leichtmetallsubstraten dient. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und Fol-gerung und gibt Empfehlungen für weiterführende Forschungen auf diesem Gebiet. / The present work qualifies the cold gas dynamic spray process (CGS) as a process for the application of braze filler coatings onto titanium alloy substrates. The work program results from needs and problems that were identified in the state-of-the-art of science and technology. The parameters of the coating process are correlated with the resulting coating microstruc-tures and the posterior brazing results. Materialographic and mechanic characterisations of the filler coatings and braze seams are carried out. Thereby, an evaluation of the braze filler ap-plication by cold gas spraying is permitted. In addition, high-resolution TEM investigations within the interfaces of a cold sprayed zinc coating and an aluminium base material proof the theory of the bonding mechanisms of CGS coatings on light weight metals. The work dis-cusses the achieved results and gives an outlook to continuative investigations in this field of science.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Foulardierprozesses zur chemischen Nassausrüstung von Vliesstoffen bei Warengeschwindigkeiten bis zu 250 m/min. Hintergrund ist die abweisende Ausrüstung von Polypropylen-Spinnvliesstoffen für die Anwendung als Operationskittel. Wo bislang nach dem Stand der Technik eine Veredlung bei Lohnausrüstern bei geringen Warengeschwindigkeiten durchgeführt wurde, zeigt die Tendenz in der Vliesstoffindustrie in Richtung der eigenen Prozessbeherrschung. Eine grundlegende Voraussetzung, um den Foulardierprozess für diese Anwendung nutzbar zu machen, ist die Kenntnis über die Prozesseigenschaften bei den geforderten hohen Warengeschwindigkeiten. Für den abzudeckenden Versuchsraum mit sechs Einflussgrößen bei jeweils drei Faktorstufen wurde mittels der Methodik der statistischen Versuchsplanung ein D-optimaler Versuchsplan erstellt. Die Versuchsdurchführung erfolgte auf einem in eine Technikumsanlage eingebundenen Foulard mit horizontaler Walzenanordnung. Für jede der sieben Zielgrößen wurde auf Grundlage der erhaltenen Messwerte eine lineare Regressionsanalyse erstellt und ausgewertet. Eine detaillierte Analyse und Diskussion der Regressionsmodelle liefert Informationen zu Wirkungsrichtung und Intensität der einzelnen Einflussgrößen sowie zu Faktor-Faktor-Wechselwirkungen. / The subject of the work presented here is the study of the padding process for the chemical wet finishing of nonwovens at web speeds up to 250 m/min. Background to the topic is the repellent treatment of polypropylene spunbond nonwovens applied for surgical gowns. Finishing carried out at subcontractors corresponding to best practice technology up to now, the trend in the nonwovens industry is turning towards an in-house process mastery. Essential requirement to make the padding process technologically exploitable for this kind of application is the knowledge of the process characteristics at the high web speeds claimed. For the experimental scenario to be covered comprising six determining factors at three level steps each, a D-optimal trial plan was defined using the statistic method of the design of experiments (DOE). The realization of the trials carried out on a padder with horizontal roll arrangement installed in a pilot line. For each of the seven responses a linear regression analyses was compiled and evaluated. A detailed analysis and discussion of the regression models provides information on direction of influence as well as intensity of each of the determining factors and factor-factor-interactions.