Das Anwendungsfeld der Luft- und Raumfahrtindustrie kennzeichnet sich durch eine konstante Nachfrage nach Materialien mit einer hohen spezifischen Festigkeit. Die metastabile Beta-Titanlegierung Ti-5553 ist ein aussichtsreicher Werkstoffkandidat, um der Forderung nach geringer Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit gerecht zu werden. Bereits jetzt findet er Anwendung in strukturell-belasteten Bereichen. Der Herstellungsprozess für die dafür verwendeten Bauteile ist charakterisiert durch einen oftmals materialintensiven Zerspanungsprozess zur Erzeugung der gewünschten Geometrie und eine mehrstufige und zeitintensive Wärmebehandlung zur Einstellung des gewünschten Gefüges sowie den damit verbundenen Eigenschaften. Durch den Einsatz des selektiven Laserschmelzens (SLM) als Vertreter der additiven Fertigungsverfahren sollen diese zwei Problemstellungen adressiert werden. Einerseits wäre es möglich, durch den schichtweisen Aufbau der Bauteile, komplexe Geometrien endkonturnah zu fertigen und damit den Zerspanungsprozess zu minimieren. Andererseits können durch die im SLM-Prozess auftretenden hohen Erstarrungsraten metastabile Gefügezustände geschaffen werden. Daher besteht großes Interesse daran, die Verknüpfung von Prozessbedingungen und dem entstehenden Gefüge zu untersuchen und zu verstehen. Das Prozessieren und Optimieren der Legierung Ti-5553 auf das Verfahren des selektiven Laserschmelzens stellen den Ausgangspunkt dieser Arbeit dar. Durch die anschließende Variation der Belichtungsstrategie beziehungsweise der Anwendung einer Substratheizung konnten Korngröße sowie Textur respektive Phasenbildung im Gefüge beeinflusst werden. Somit war es möglich das Potenzial des selektiven Laserschmelzens aufzuzeigen, indem durch Prozessparameter Bauteileigenschaften während des Herstellungsprozesses aktiv beeinflusst werden. Die Analyse der hergestellten Proben umfasste eine tief greifende Gefügeanalyse sowie die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen, autarken, folienbasierten Sensorsystems für die Belastungsdetektion an Leichtbaumaterialien. Das integrierte Sensorsystem ist in der Lage mechanische Belastungen über die Photolumineszenz von Quantum Dots visuell darzustellen, wodurch strukturelle Defekte in Leichtbaumaterialien frühzeitig erkannt und ein Totalausfall einer gesamten Leichtbaukonstruktion verhindert werden kann. Dies führt neben einer erhöhten Sicherheit einzelner Komponenten und kompletter Konstruktionen auch zu Gewichts-, Kosten- und Rohstoffersparnissen. Die gezielte Beeinflussung der Photolumineszenz von Quantum Dots durch Ladungsträgerinjektion als Hauptmechanismus des Sensorsystems erfordert spezielle Lagenaufbauten von Dünnschichtsystemen. Durch die Kombination dieser Dünnschichtsysteme mit piezoelektrischen Materialien entsteht ein autarkes Sensorsystem, wodurch eine Auswertung, Visualisierung und Speicherung der Information über eine stattgefundene mechanische Belastung an Leichtbaumaterialien auf kleinsten Raum erreicht wird.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf / This work focuses on the development of a novel, self-sufficient, film-based sensor system for load detection on lightweight materials. The integrated sensor system is capable to visualize mechanical loads on lightweight structures by quenching the photoluminescence of quantum dots. Structural defects in lightweight materials can thus be detected at an early stage and total failure of an entire lightweight structure can be prevented. In addition to increased safety of individual components and complete structures, this also leads to weight, cost and raw material savings. The quenching of the photoluminescence of quantum dots by charge carrier injection as the main mechanism of the sensor system requires special thin-film layer stacks. By combining these thin-film layer stacks with piezoelectric materials, a self-sufficient sensor system is created. An evaluation, visualization and storage of the information about a mechanical load that has taken place on lightweight materials is thus achieved in a very small space.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf