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.

In dieser Arbeit wird das epitaktische Wachstum von GaP/Si Heterostrukturen zur Herstellung von rauscharmen GaP/Si Nanodiodenarrays untersucht, wobei eine top-down Ätztechnik zur Herstellung der verwendeten Nanodiodenarrays genutzt wurde. Zur Untersuchung der gewachsenen Schichten wurden Röntgenstreuung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie sowie die elektrische Charakterisierung mittels Strom-Spannungs und Kapazität-Spannungsmessungen verwendet. Zudem wurde die Grenzfläche zwischen epitaktischer Schicht und Substrat mittels Niederfrequenter Rauschspektroskopie (LFN) untersucht. Die GaP-Schichten wurden auf p-dotierten Si (100) Substraten mittels eines Riber-32P Gasquellen-Molekularstrahlepitaxiesystems gewachsen. Die Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit und Kristallqualität von denWachstumsbedingungen, wie der Wachstumstemperatur, wurden intensiv untersucht, um die Defektdichte zu minimieren. Dafür wurden nominal 500 nm dicke Heterostrukturschichten beiWachstumstemperaturen von 550 °C, 400 °C und 250 °C gewachsen, wobei 400 °C als die optimale Wachstumstemperatur bestimmt wurde. Trotzdem waren die erhaltenen Schichten aufgrund der hohen Versetzungsdichte von schlechter Qualität. Eine nur sehr geringe Qualitätsverbesserung konnte durch einen in situ durchgeführten thermischen Annealingschritt bei 500 °C für 10 Minuten erreicht werden. Daher wurde eine neue Annealingmethode vorgeschlagen, die in dieser Arbeit step-graded annealing (SGA) genannt wird. Bei dieser Methode wurde die Temperatur schrittweise von 400 °C auf 480 °C innerhalb von 90 Minuten erhöht. Dabei wurde die Oberfläche die gesamte Zeit mittels Reflexion hochenergetischer Elektronen (RHEED) untersucht. Die Oberflächenrekonstruktion, die während des Annealens mittels RHEED beobachtet wurde, zeigte schließlich eine große Verbesserung der Kristallqualität. Die Gitterparameter von GaP wurden mittels asymmetrischer XRD gemessen, wobei festgestellt wurde, dass sie exakt denen von Volumen-GaP entsprechen. Zudem wurde festgestellt, dass die GaP-Schicht automatisch n-dotiert ist und diodentypisches Gleichrichtungsverhalten aufweist. Interessante Informationen über Fallenzustände in den Heterostrukturfilmen konnten mittels LFN-Messungen gefunden werden. In einer nicht annealten Probe wurden beispielsweise zwei Fallenzustände im Bereich der Bandlücke festgestellt. In den mittels der SGA-Methode annealten Proben wurde hingegen ein rauscharmes und fallenfreies System erhalten. Anschließend wurde Elektronenstrahllithografie (EBL) zum Erstellen von Nanomustern auf der Oberfläche genutzt, die zur Herstellung von Nanodrähten genutzt werden sollen. Zur Optimierung der Elektronenstrahllithografie wurden dabei GaPSubstrate aufgrund der im Vergleich zu den epitaktischen Schichten besseren und glatteren Oberflächenstruktur genutzt. Dabei konnten in einer Goldschicht 200 nm große Löcher in einem Gitter mit hoher Dichte auf GaP erstellt und in die GaPSchicht übertragen werden. Die metallunterstütztes chemisches Ätzen (MacEtch) genannte Technik wurde kürzlich vorgeschlagen und eignet sich für die Herstellung von Nanodrähten. Die Anwendung zur Herstellung von Nanodrähten aus GaP war herausfordernd aufgrund bisher begrenzter Anwendung für III-V Halbleiter. Zur Optimierung der MacEtch Technik wurde zunächst wieder GaP-Substrat verwendet, um den Einfluss von Kristalldefekten und der Oberflächenrauigkeit auf die Ergebnisse zu minimieren. Genutzt wurde ein Gemisch aus Lösungen von HF/KMnO4 mit verschiedenen Konzentrationen. Mit den so bestimmten Prozessbedingungen konnten erfolgreich GaP Nanodrähte aus GaP-Epilayern hergestellt werden. GaP/Si Heteroübergangsnanodioden wurden anschließend unter Nutzung von Au-Ge/Ni Kontakten zu GaP-Schicht und Al/Ni Kontakten zum rückseitigen Si hergestellt. Die Transporteigenschaften des Nanodiodenarrays bestätigen die Möglichkeit, diese Arrays als elektronische NiederLärmbauelemente einzusetzen. / An epitaxial growth of GaP/Si heterostructures for the fabrication of low-noise GaP/Si nanodiode array based on nanowires is reported. The grown films were characterized using X-ray diffraction, scanning-electron microscopy, atomic-force microscopy and electrical measurements. Besides that, the interface between the epilayer and the substrate was deeply studied using a low-frequency noise (LFN) spectroscopy. The GaP epilayers were grown on p-type Si (100)substrates using gas-source molecular-beam epitaxy system. The dependence of surface morphology and crystal quality on the growth conditions was intensively investigated for minimizing the defects. The heterostructure films were grown at an optimal growth temperature of 400 °C and a nominal thickness of 500 nm. In order to improve the crystalline quality of the heterostructures, a new thermal annealing method was proposed, and referred to as step-graded annealing (SGA). In this method, the temperature was increased gradually to the annealing temperature to reduce the strain relaxation in the epilayers. A highly improvement in the crystal quality was confirmed using the SGA method. In addition, the epilayers were found to be n-type autodoped, and exhibited diode rectification behavior. Furthermore, the trap levels in the band gap, which were revealed via LFN measurements, were found to be suppressed in the annealed films. Thereafter, gold-mesh nanopatterns on the GaP surfaces were fabricated using an electron-beam lithography, as a step for the fabrication of GaP nanowires. A metal-assisted chemical etching technique with a mixture of HF:KMnO4 was carried out to fabricate GaP nanowires. GaP/Si heterojunction nanodiodes were then fabricated using an Au-Ge/Ni contact on the top of the GaP nanowires as well as an Al/Ni contact on the backside of Si. Transport properties of the nanodiode array confirmed the possibility of using the array as a low-frequency electronic device.