The separation of aqueous and organic mixtures with thermal separation processes is an important and challenging task in the chemical industry. Rising prices for energy, stricter environmental regulations and the increasing demand for high purity chemicals are the main driving forces to find alternative solutions to common separation technologies such as distillation and absorption. These are mostly too energy consumptive and can show limited separation performance, especially when applied to close boiling or azeotropic mixtures. Pervaporation can overcome these thermodynamic limitations and requires less energy because only the separated components need to be evaporated. This separation technology is already well established for the production of anhydrous solvents, but not yet widely distributed in the chemical and petrochemical industry due to some crucial challenges, which are still to overcome. Besides the need of high selective membranes, the development of membrane modules adapted to the specific requirements of organoselective pervaporation needs more research effort. Furthermore, only few modelling and simulation tools are available, which hinders the distribution of this process in industrial scale. In this work, these issues are addressed in a combined approach. In close collaboration with our cooperation partners, a novel membrane module for organophilic pervaporation is developed. A novel technology to manufacture high selective polymeric pervaporation membranes is applied to produce a membrane for an industrially relevant organic-organic separation task. A three step modelling approach ranging from a shortcut and a discrete to a rigorous model is developed and implemented in a user interface. A hydrophilic and an organophilic membrane are characterised for the separation of a 2-butanol/water mixture in a wide range of feed temperature and feed concentration in order to establish a generally valid description of the membrane performances. This approach is implemented in the three developed models to simulate the novel membrane module in industrial scale. The simulations are compared to the results of pilot scale experiments conducted with the novel membrane module. Good agreement between simulated and experimental values is reached.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem besonders kritischen Ausschaltvorgang bipolarer Leistungsdioden, bei dem das im Durchlass vorhandene Ladungsträgerplasma abgebaut wird. Schwerpunkt ist dabei die Untersuchung von zwei ungewollten Phänomenen, die während des Ausschaltens auftreten können. Diese sind ein plötzliches Abreißen des Rückstroms während der Kommutierung und eine Zerstörung der Diode mit einem lokalen Aufschmelzen in der aktiven Fläche. Betrachtet wird dazu der Ladungsträgerberg, der sich während des Schaltvorgangs bildet. Durch die Analyse des Verhaltens der Ladungsträgerbergfronten, lässt sich sowohl der Einfluss von Schaltbedingungen auf den Plasmaabbau als auch der Unterschied von anodenseitigen und kathodenseitigen Stromfilamenten erklären. Die Erkenntnisse werden auf das moderne Diodenkonzept CIBH (Controlled Injection of Backside Holes) angewandt. Das Potential von CIBH-Dioden zur Verbesserung der Höhenstrahlfestigkeit und Stoßstromfestigkeit wird aufgezeigt. Schließlich wird das neue Anodenemitterkonzept IDEE (Inverse Injection Dependency of Emitter Efficiency) vorgestellt, welches in Kombination mit CIBH die Gesamteigenschaften von Dioden maßgeblich verbessert. Die aktuelle Version Dissertation_Roman_Baburske_2011_11_21.pdf ist um einige Tippfehler bereinigt. / This work concerns the reverse-recovery process of bipolar power diodes. The focus is the investigation of two undesirable phenomena. These are the sudden strong reverse-current decay and the destruction of the diode with a local melting of the chip in the active area. The plasma layer, which arises during the switching period, is considered. An analysis of the plasma-layer front dynamics allows an understanding of the influence of switching parameters on the plasma extraction and the different behavior of anode-side and cathode-side filaments. The results of the analysis are used to describe the operation of the modern diode concept CIBH (Controlled Injection of Backside Holes). The potential of CIBH diodes to improve cosmic-ray stability and surge-current ruggedness is investigated. Finally, a new anode-emitter concept called IDEE (Inverse Injection Dependency of Emitter Efficiency) is introduced, which improves in combination with CIBH the overall performance of a power diode.

The investigation of high-entropy alloys (HEAs) has revealed many promising properties. HEAs with a high share of Al and Ti are suitable for the formation of lightweight materials. Investigations of the alloy system AlCoCrFeNiTi showed high strength, hardness, ductility, and wear resistance, which makes this special alloy interesting for surface engineering and particularly for thermal spray technology. In this study, the suitability of inert gas-atomised HEA powder for high-velocity-oxygen-fuel (HVOF) thermal spray is investigated. This process allows for high particle velocities and comparatively low process temperatures, resulting in dense coatings with a low oxidation. The microstructure and phase composition of the atomised powder and the HVOF coating were investigated, as well as the wear behaviour under various conditions. A multiphase microstructure was revealed for the powder and coating, whereas a chemically ordered bcc phase occurred as the main phase. The thermal spray process resulted in a slightly changed lattice parameter of the main phase and an additional phase. In comparison with a hard chrome-plated sample, an increase in wear resistance was achieved. Furthermore, no brittle behaviour occurred under abrasive load in the scratch test. The investigation of wear tracks showed only minor cracking and spallation under maximum load.

Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, einen Beitrag zur technologischen, ökonomischen und ökologischen Weiterentwicklung der anodischen Verfahren zur Oberflächenkeramisierung von Aluminium zu leisten. Die Arbeit ist in zwei thematische Schwerpunkte untergliedert. Im ersten Teil wird für die Hartanodisation eine hinsichtlich eines geringeren Energieeinsatzes optimierte Elektrolytzusammensetzung identifiziert und mit einem optimierten galvanostatischen Pulsmuster simultan appliziert. Im Ergebnis kann die Gesamtleistungsaufnahme um ca. 6 % reduziert werden, ohne die mechanischen Eigenschaften der Oxidschichten zu mindern. Im zweiten Schwerpunkt werden das Lichtbogen- und das Flammspritzen mit der plasmaelektrolytischen anodischen Oxidation kombiniert, um verschleißbeständige Aluminiumoxidschichten auf Stahl-, Titan- und Magnesiumsubstraten zu applizieren. Neben einer umfangreichen Mikrostrukturanalyse (REM, EDX, XRD, EBSD) werden die mechanischen Eigenschaften der Schichten untersucht und mit atmosphärisch plasmagespritzten Al2O3-Schichten verglichen. Insbesondere Oxidschichten auf lichtbogengespritztem AlCu4Mg1 zeigen dabei eine hohe Härte sowie eine sehr gute Verschleißbeständigkeit. / The aim of the present work is to contribute to the technological, economic and ecological improvement of the anodic processes for the surface ceramization of aluminum. The work is subdivided into two thematic priorities. In the first part, for the hard anodizing process an optimized electrolyte composition for a lower energy input is identified and applied simultaneously with an optimized galvanostatic pulse regime. As a result, the total power consumption can be reduced by approximately 6% without reducing the mechanical properties of the oxide coatings. In the second focus, arc and flame spraying are combined with plasma electrolytic anodic oxidation to apply wear resistant aluminum oxide coatings on steel, titanium and magnesium substrates. In addition to a comprehensive microstructural analysis (SEM, EDX, XRD, EBSD), the mechanical properties of the layers are investigated and compared with atmospheric plasma sprayed Al2O3 coatings. In particular, oxide layers formed on arc sprayed AlCu4Mg1 coatings show a high hardness as well as very good wear resistance.

Mittels thermischer Plasmen werden Hartstoffschichten auf der Basis von Silicium - SiC, Si3N4 sowie ternäre Si-C-N Verbindungen, aus flüssigen Single Precursoren synthetisiert. Durch die hohen Abscheideraten von bis zu 1.500 µm/h wird das hohe Potenzial der Beschichtungswerkstoffe für den Schutz von Bauteilen, die starken Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen insbesondere bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bei wirtschaftlich interessanten Prozesszeiten nutzbar. Der Einfluss der Precursorstruktur und der Prozessführung auf die Mikrostruktur der Schichten sowie die Abscheiderate wird systematisch erarbeitet. Zur Schichtcharakterisierung kommen Lichtmikroskopie, REM, EDX, XRD und im Fall röntgenamorpher Schichten FTIR zum Einsatz. Das Verwenden unterschiedlicher thermischer Plasmen erlaubt das Einstellen eines weiten Prozessfeldes. Mit Hilfe von Enthalpiesonden Messungen werden die Einflüsse der Maschinenparameter auf den Prozesszustand untersucht. Die Ergebnisse sind in einer Prozess - Gefügekarte zusammengefasst. Da das Gefüge der Schichten die Eigenschaften im Einsatz bedingt, bieten diese Arbeiten die Grundlage für das reproduzierbare Herstellen von Schichten mit angepassten Eigenschaften. Über die emissionsspektroskopischen Analysen zu den plasmachemischen Reaktionen gelingt es, die Schichtabscheidemechanismen in Abhängigkeit von den Prozessparametern zu klären und einen Ansatz für eine online Prozesskontrolle zu erarbeiten.

The investigation of high-entropy alloys (HEAs) has revealed many promising properties. HEAs with a high share of Al and Ti are suitable for the formation of lightweight materials. Investigations of the alloy system AlCoCrFeNiTi showed high strength, hardness, ductility, and wear resistance, which makes this special alloy interesting for surface engineering and particularly for thermal spray technology. In this study, the suitability of inert gas-atomised HEA powder for high-velocity-oxygen-fuel (HVOF) thermal spray is investigated. This process allows for high particle velocities and comparatively low process temperatures, resulting in dense coatings with a low oxidation. The microstructure and phase composition of the atomised powder and the HVOF coating were investigated, as well as the wear behaviour under various conditions. A multiphase microstructure was revealed for the powder and coating, whereas a chemically ordered bcc phase occurred as the main phase. The thermal spray process resulted in a slightly changed lattice parameter of the main phase and an additional phase. In comparison with a hard chrome-plated sample, an increase in wear resistance was achieved. Furthermore, no brittle behaviour occurred under abrasive load in the scratch test. The investigation of wear tracks showed only minor cracking and spallation under maximum load.

The design of traction mechanisms of continuous conveying units (e. g. plastic chains) is so far based on a purely mechanical dimensioning. However, mechanical limits are only applicable in a limited way to avoid system failure. With higher speeds or pressure, especially the thermal stress increases, which results in system failure based on softening or melting of the materials at a certain temperature. By means of systematic studies, correlations between friction temperature, coefficient of friction, wear and process parameters are examined. On this basis, a model for calculating the friction temperature is developed. / Die Konstruktion von Zugmitteln für kontinuierliche Fördereinheiten (z. B. Kunststoffketten) beruht bisher auf einer rein mechanischen Dimensionierung. Allerdings sind mechanische Grenzwerte zur Vermeidung von Systemausfall nur bedingt anwendbar. Bei größeren Geschwindigkeiten oder Druck erhöht sich insbesondere die thermische Beanspruchung, was bei einer bestimmten Temperatur zum Systemausfall durch Erweichung oder Schmelzen der Werkstoffe führt. In systematischen Untersuchungen wurden die Korrelationen zwischen Reibungstemperatur, Reibungskoeffizient, Verschleiß und den Prozessparametern untersucht. Auf dieser Basis wurde ein Modell zur Berechnung der Reibungstemperatur entwickelt.

The separation of aqueous and organic mixtures with thermal separation processes is an important and challenging task in the chemical industry. Rising prices for energy, stricter environmental regulations and the increasing demand for high purity chemicals are the main driving forces to find alternative solutions to common separation technologies such as distillation and absorption. These are mostly too energy consumptive and can show limited separation performance, especially when applied to close boiling or azeotropic mixtures. Pervaporation can overcome these thermodynamic limitations and requires less energy because only the separated components need to be evaporated. This separation technology is already well established for the production of anhydrous solvents, but not yet widely distributed in the chemical and petrochemical industry due to some crucial challenges, which are still to overcome. Besides the need of high selective membranes, the development of membrane modules adapted to the specific requirements of organoselective pervaporation needs more research effort. Furthermore, only few modelling and simulation tools are available, which hinders the distribution of this process in industrial scale. In this work, these issues are addressed in a combined approach. In close collaboration with our cooperation partners, a novel membrane module for organophilic pervaporation is developed. A novel technology to manufacture high selective polymeric pervaporation membranes is applied to produce a membrane for an industrially relevant organic-organic separation task. A three step modelling approach ranging from a shortcut and a discrete to a rigorous model is developed and implemented in a user interface. A hydrophilic and an organophilic membrane are characterised for the separation of a 2-butanol/water mixture in a wide range of feed temperature and feed concentration in order to establish a generally valid description of the membrane performances. This approach is implemented in the three developed models to simulate the novel membrane module in industrial scale. The simulations are compared to the results of pilot scale experiments conducted with the novel membrane module. Good agreement between simulated and experimental values is reached.

A solution-hardening of AISI 316L stainless-steel powder was conducted. The expansion of the crystal lattice and a strong increase in the nanoindentation hardness confirm the successful diffusion of carbon and nitrogen in the interstices. A multiphase state of the powder feedstock with phase fractions of the metastable S-phase (expanded austenite) mainly at the particle’s edge, and the initial austenitic phase within the core was found. Thermal spraying using high velocity oxy-fuel (HVOF) and atmospheric plasma spraying (APS) prove the sufficient thermal stability of the Sphase. Microstructural investigations of the HVOF coating reveal the ductility of the S-phase layer, while the higher heat load within the APS cause diffusion processes with the initial austenitic phase. The lattice expansion and the nanoindentation hardness decrease during thermal spraying. However, the absence of precipitates ensures the sufficient heat stability of the metastable S-phase. Even though further efforts are required for the thermochemical treatment of powder feedstock, the results confirm the feasibility of the novel powder treatment approach.

The efficiency of organic light-emitting diodes (OLEDs) typically decreases with increasing current density. This so-called roll-off impedes the market entry of OLEDs in high-brightness applications such as general lighting. One of the most important processes causing roll-off is exciton annihilation, which evolves upon high exciton densities. This mechanism is especially pronounced in phosphorescent molecules due to their long triplet lifetime. In order to reduce the roll-off in phosphorescent OLEDs, this thesis focusses on decreasing the local exciton density by modifying the exciton lifetime, the spatial exciton distribution, and the tendency of emitters to form aggregates. The obtained results lead to a deeper understanding of efficiency roll-off and help sustaining the OLED efficiency at high brightness. The emitter lifetime can be influenced by the optical environment around the emitting dipoles through the Purcell effect. In order to study this effect, the distance between emitter and metal cathode is varied for two different OLED stacks. A strong influence of emitter position and orientation on roll-off is observed and explained by modelling the data with triplet-triplet annihilation theory. Furthermore, design principles for optimal high-brightness performance are established by simulating the roll-off as a function of emitter-cathode distance, emissive dipole orientation, and radiative efficiency. Next, a method is developed that allows extracting the spatial exciton distribution. Therefore, a thin sensing layer that locally quenches excitons is introduced into the emission layer at varying positions. The resulting quenching profile is then fitted using a comprehensive theory based on the diffusion equation, which renders the exciton distribution and diffusion length with nanometer resolution. This method is applied to an emission layer comprising an ambipolar host material. Contrary to expectations which suggest that ambipolar materials exhibit broad exciton formation, a narrow emission zone close to the electron transport layer is found. Additional explorations of structures that might broaden the emission zone point to a narrow emission zone in double emission layers and broader exciton formation in mixed emission layers. Previous investigations revealed a strong correlation between emitter aggregation and molecular dipole moment of the emitter. Within this thesis, the range of studied emitters is significantly extended. It is shown that homoleptic emitters show a stronger tendency to form aggregates than heteroleptic compounds. This is probably not only related to their higher dipole-dipole potential, but also to the molecular structure. Systematic analysis of the deposition parameters shows that aggregate formation depends on the underlying material and increases with increasing substrate temperature and decreasing evaporation rate. The two green emitters Ir(ppy)3 and Ir(ppy)2(acac) are additionally studied by means of X-ray diffraction. Both emitters form crystallite grains and exhibit a preferred orientation. Doping the emitters into an amorphous host, both orientation and crystallite formation retain at the investigated doping concentrations above 20 wt%. This result is a first step toward further understanding of the mechanism of transition dipole orientation. / Die Effizienz organischer Leuchtdioden (OLEDs) nimmt üblicherweise mit ansteigender Stromdichte ab. Dieser so genannte Roll-Off erschwert den Markteintritt von OLEDs in Bereichen, die hohe Helligkeiten erfordern, wie beispielsweise in der Beleuchtung. Einer der wichtigsten Prozesse, die zu Roll-Off führen, ist die Annihilation von Exzitonen. Diese nimmt mit steigender Exzitonendichte zu und ist vor allem in phosphoreszenten OLEDs aufgrund der dort vorhandenen langen Triplettlebensdauer ein großer Verlustfaktor. Im Rahmen dieser Dissertation werden Methoden vorgestellt, die mittels Reduzierung der Exzitonendichte den Roll-Off in phosphoreszenten OLEDs verringern können. Dazu gehören die Veränderung der Exzitonenlebensdauer, die Untersuchung der räumlichen Verteilung der Exzitonen und die Erforschung der Bildung von Emitteraggregaten. Die gewonnenen Ergebnisse führen zu einem besseren Verständnis des Effizienz Roll-Offs und helfen, die Effizienz von OLEDs bei hohen Helligkeiten zu verbessern. Die Emitterlebensdauer kann über den Purcell-Effekt durch Veränderung des die emittierenden Dipole umgebenden elektromagnetischen Felds beeinflusst werden. Dieser Effekt wird genutzt, indem der Abstand zwischen Emitter und Metallelektrode für zwei verschiedene OLED-Aufbauten variiert wird. Der Roll-Off ist stark abhängig von der Position und Orientierung des Emitters und kann durch Modellierung der Daten auf Basis von Triplett-Triplett-Annihilation erklärt werden. Durch Simulation des Roll-Offs in Abhängigkeit des Emitter-Kathode-Abstands, der Orientierung und der strahlenden Effizienz der emittierenden Dipole werden Prinzipien zur optimalen Leistung von OLEDs bei hohen Helligkeiten entwickelt. Als nächstes wird eine Methode eingeführt mittels derer die räumliche Exzitonenverteilung extrahiert werden kann. Dafür wird eine dünne Sensorschicht in die Emissionsschicht eingebracht, die lokal Exzitonen auslöscht. Unter Variation der Position des Sensors wird ein Profil der Auslöschungsintensität bestimmt. Die gemessene Intensität wird mittels einer umfassenden Theorie auf Grundlage der Diffusionsgleichung angepasst, wodurch sich die räumliche Verteilung der Exzitonen und die Diffusionslänge mit einer Auflösung von 1nm ergibt. Die Methode wird auf eine Emissionsschicht angewandt, die das ambipolare Matrixmaterial CBP enthält. Entgegen der Erwartung, dass die Exzitonenbildung in ambipolaren Materialien weiter ausgedehnt ist, ist die gemessene Emissionszone sehr schmal und befindet sich an der Grenze zur Elektronentransportschicht. Um eine Verbreiterung des Emissionsprofils zu ermöglichen, werden weitere Strukturen untersucht. Dabei wird eine schmale Emissionszone in Doppelemissionsschichten beobachtet, wohingegen gemischte Emissionsschichten zu einer Verbreiterung der Exzitonenbildung führen können. Vorangegangene Untersuchungen deckten einen Zusammenhang zwischen der Aggregation von Emittermolekülen und dem Dipolmoment des Emitters auf. In dieser Arbeit werden weitere Emittermoleküle untersucht, wobei eine stärkere Aggregation von homoleptischen Emittern im Vergleich zu heteroleptischen festgestellt wird. Dies ist einerseits im höheren Dipol-Dipol-Potential der homoleptischen Verbindungen und andererseits in der Molekülstruktur begründet. Eine systematische Analyse der Herstellungsparameter zeigt, dass die Aggregatbildung von dem darunter liegenden Material abhängt und mit steigender Substrattemperatur und sinkender Verdampfungsrate zunimmt. Die zwei Grünemitter Ir(ppy)3 und Ir(ppy)2(acac) werden zusätzlich mittels Röntgenspektroskopie untersucht. Beide Emitter bilden kristalline Körner und weisen eine bevorzugte Orientierung auf. Sowohl die Kristallbildung als auch die Orientierung bleiben erhalten, wenn die Emitter mit mehr als 20 Gewichtsprozent in das Matrixmaterial CBP dotiert werden. Dieses Ergebnis ist ein erster Schritt zum besseren Verständnis der in vielen Iridium-Emittern beobachteten Orientierung des Übergangsdipolmoments.