Elektret- und Piezoelektret-Wandler für Körperschallaufnahme und Energy-Harvesting

In der vorliegenden Arbeit werden Elektret- und Piezoelektret-Wandler hinsichtlich ihrer Eig-nung als Körperschallaufnehmer und Energy-Harvester untersucht. Nach der Einleitung in das Thema werden in Kapitel 1 die Ziele der Arbeit vorgestellt. In Kapitel 2 werden die Grundlagen der Materialien und Wandler präsentiert und die Literatur über Elektrete, Piezoelektrete, Beschleunigungsaufnehmer und Energy-Harvesting analysiert. Zu-nächst werden das Herstellungsverfahren und typische Anwendungen von Elektreten und Pie-zoelektreten vorgestellt. Anschließend wird eine Einführung in die Grundlagen, die unter-schiedlichen Wirkprinzipien, Anwendungen und Charakterisierungsmethoden von Beschleunigungsaufnehmern besprochen. Zum Schluss dieses Kapitels wird auf das Thema Energy-Harvesting eingegangen: Die unterschiedlichen Arten von schwingungsbasierten Energy-Harvestern, die Leistungskonditionierungs- und Charakterisierungsmethoden sowie un-terschiedliche Figures of Merit zum Auswerten von Energy-Harvestern werden vorgestellt. Kapitel 3 befasst sich mit Piezoelektret- und Elektret-Beschleunigungsaufnehmern. Zunächst wird ein analytisches Modell von Piezoelektret-Beschleunigungsaufnehmern mit einem oder mehre-ren Piezoelektretstapeln aus ihrer Bewegungsgleichung hergeleitet. Anschließend werden mo-dale Sensoren und platinenintegrierte Piezoelektret-Beschleunigungsaufnehmer als zwei An-wendungsbeispiele präsentiert. Schließlich wird ein weiteres analytisches Modell, und zwar für Elektret-Beschleunigungsaufnehmer aus der Bewegungsgleichung abgeleitet und auch hier die experimentellen Ergebnisse diskutiert. Kapitel 4 ist Piezoelektret- und Elektret-Energy-Har-vestern gewidmet. Für beide Harvestertypen wird ebenfalls jeweils ein analytisches Modell er-stellt und experimentell validiert. Unter anderem wird die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz und der maximalen Leistung von der seismischen Masse analysiert. Im Fall von Piezoelektret-Harvestern mit d33-Effekt wird auch insbesondere der Effekt des Piezoelektretstapels auf die Eigenschaften des Harvesters untersucht. Bei Piezoelektret-Harvestern mit d31-Effekt wird der Einfluss der Kraftwirkung in Richtung des Piezoelektretstreifens auf die Leistung analysiert. Im Fall von Elektret-Harvestern wird der Effekt der mechanischen Eigenschaften des Abstandshal-ters und der Abmessungen des Luftspalts zwischen der seismischen Masse und der Grundelekt-rode auf die maximale Leistung und die Resonanzfrequenz untersucht. Anschließend werden die von den unterschiedlichen Harvestern generierten Leistungen gemessen, anhand von Figu-res of Merit ausgewertet und mit Literaturwerten für piezoelektrische Harvester verglichen. Die Arbeit schließt in Kapitel 5 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick über zukünftige Untersuchungen und Anwendungen von den in der Dissertation vorgestellten Wandlern

Prozessentwicklung für die Automatisierung der Herstellung und Anwendung von hochdichten Peptidmicroarrays

Peptidmicroarrays, bestehend aus einer großen Vielfalt unterschiedlicher Peptide auf einer festen Oberfläche, können helfen, eine Vielzahl immunologischer und biochemischer Fragestellungen zu beantworten. In der vorliegenden Arbeit wurden drei Prozesse entwickelt, die den Weg von händischer Arbeit in die Richtung automatisierter Prozesse mit einstellbareren Prozessparametern ebnen

Prozessentwicklung für die Automatisierung der Herstellung und Anwendung von hochdichten Peptidmicroarrays

Peptidmicroarrays können helfen, eine Vielzahl immunologischer und biochemischer Fragestellungen zu beantworten. Im Bereich der hochdichten Peptidmicroarrays gibt es bereits etablierte Prozesse, die jedoch für eine routinemäßige Verwendung jedoch nicht ausreichen und ergänzt werden müssen. In der vorliegenden Arbeit ist eine Technologieentwicklung dreier Prozesse dargestellt, die eine automatisierte Herstellung und die reproduzierbare Nutzung als Assay erlaubt

Antistatische Ausrüstung von duroplastischen Kunststoffen

Da Kunststoffe im Allgemeinen einen spezifischen Oberflächenwiderstand von >10E12 Ω besitzen, müssen die Materialien zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen bei Bauelementen der Elektroindustrie antistatisch ausgerüstet werden. Durch elektrostatische Aufladungen können die Bauelemente eine Beeinträchtigung ihrer Funktion erfahren und Personen gefährden. Weiterhin ermöglicht die Absenkung des spezifischen Oberflächenwiderstandes eine elektrostatische (Pulver-)Lackierung. Für die Herstellung von Kunststoffen mit kleinem spezifischen Durchgangswiderstand ist der Zusatz von leitenden Substanzen, wie z. B: Leitfähigkeitsruß, Graphit, Eisenoxid-, Kupfer- oder Aluminiumteilchen, metallisierte Glasfasern oder –kugeln, Edelstahlfasern oder Kohlenstofffasern, üblich. Die Substanzen werden dabei physikalisch in die Polymermatrix eingemischt. Je höher der Volumenanteil der Additive für die benötigte Ableitfähigkeit bezogen auf die Gesamtrezeptur ist, desto größer ist jedoch auch der Einfluss dieser Additive auf die mechanischen Eigenschaften in Relation zum unadditivierten Ausgangsmaterial. Unterschiedliche Polaritäten und Oberflächenspannungen von Additiv und Matrix bedingen zudem Probleme bei der Homogenisierung der Additive in der Matrix. Eine homogene Verteilung über das Volumen ist jedoch Voraussetzung dafür mit möglichst wenig Additiv die Perkolationsschwelle zu erreichen. Aus dieser Sicht hat sich eine reaktive Ankopplung von leitfähigen Gruppen an Matrix- oder sonstige geeignete Rezepturbestandteile in der Vergangenheit, z.B. für MDF, als erfolgreicher Weg erwiesen. Ziel war es, dieses Konzept auf duroplastische Kunststoffe zu übertragen und dessen spezifischen Oberflächenwiderstand von >10E12 Ω abzusenken. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Materialien SMC (Sheet molding compound) und Epoxidharzlaminate eine antistatische Ausrüstung erhalten

Entwicklung und Charakterisierung von Sprühtrocknungsprozessen zur Herstellung von β-phasigem PVDF in Partikeln und Filmen

Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ein teilkristallines Polymer, das in fünf kristallinen Phasen auftreten kann. In dieser Arbeit wurde die gezielte Herstellung der piezoelektrischen β-Phase durch Sprühtrocknungsprozesse untersucht, wobei der Bildungsmechanismus und die Maximierung des β-Phasenanteils im Fokus standen. Dazu wurden verschiedene Parameter im Sprühtrocknungsprozess, wie die Trocknungsluftmenge, die Art des Zerstäubers, die Massenbeladung, die Temperatur und die Tropfenladung, variiert. Es zeigten sich je nach Prozessbedingungen unterschiedliche Phasenzusammensetzungen des PVDFs. Bei der Sprühtrocknung mit pneumatischen Zerstäubern zeigte sich, dass PVDF bei hinreichend hohen Trocknungsraten nahezu vollständig (ca. 95 %) in der β-Phase hergestellt werden kann. Anhand der Resultate kann die Bildung des PVDFs in seinen unterschiedlichen Phasen mit der Ostwaldschen Stufenregel erklärt werden. Die Stufenregel besagt, dass die Bildung einer kristallinen Phase, zuerst in dem Zustand stattfindet, welcher dem Ursprungszustand energetisch am nächsten ist. Da die β-Phase den höchsten energetischen Zustand hat, wird sie bei schneller Verdampfung des Lösungsmittels gebildet. Bei der Zerstäubung durch Elektrospray entstehen die PVDF-Partikel in einem elektrischen Feld aus geladenen Tropfen. Der Einfluss der Ladung und des elektrischen Feldes auf die kristallinen Phasen wurden in einem modularen Sprühtrocknungsaufbau untersucht, der eine Trennung beider Effekte ermöglichte. Dabei zeigte sich, dass das elektrische Feld keinen Einfluss auf die Bildung der β-Phase hat. Dagegen spielt die Ladung der Tropfen eine wesentliche Rolle bei der Ausbildung der β-Phase. Es macht keinen Unterschied, ob die Ladung direkt beim Tropfenbildungsprozess aufgeprägt wird (z.B. im Elektrospray) oder nachträglich von außen aufgebracht wird (z.B. mittels Koronaaufladung). Offensichtlich hat die elektrische Ladung an der Tropfenoberfläche eine ordnende Wirkung auf die Elemente der PVDF-Ketten, so dass sie sich in der all-trans Konformation ausrichten, d.h. in der β-Phase. Der Effekt war sowohl mit positiver als auch mit negativer Ladung zu beobachten, wenn auch in unterschiedlicher Ausprägung. Um die Hypothese zur Bildung der β-Phase nach der Ostwaldschen Stufenregel weiter zu erhärten, wurden die Verdampfungsraten bei der Trocknung im Spray quantifiziert. Dabei wurde eine Methode verwendet, die eine hochauflösende Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) nutzt, um die Trocknungszustände zu ermitteln, und mit einem Elektrospray-Aufbau kombiniert. Die QCM wurde dabei mit PVDF-Partikeln beschichtet. Durch Variation des Abstandes zwischen Elektrospraydüse und QCM konnten unterschiedliche Trocknungszustände auf der QCM realisiert werden. Wenn der Abstand zwischen Düse und QCM gering ist, treffen die Partikel mit einer Restfeuchte auf, ist der Abstand dagegen größer, sind die Partikel beim Auftreffen bereits getrocknet. Es zeigte sich, dass die Trocknungsrate im Spray um bis zu einem Faktor von 104 größer ist als in abgeschiedenen Filmen. Die Phasenzusammensetzung der im Spray getrockneten Partikel weist dabei fast vollständig die β-Phase auf. Bei der langsameren Filmverdampfung ist der β-Phasenanteil deutlich reduziert. Auch bei technisch interessanteren dicken PVDF-Schichten wurde die Abhängigkeit vom Trocknungszustand auf die Bildung der β-Phase beobachtet. Interessanterweise deutete sich beim Abscheideprozess auch eine Polarisation der PVDF-Schichten an, was besonders für die Aufbringung von piezoelektrischen Schichten in einem einfachen Einschritt-Verfahren von Bedeutung ist

Verfahrensentwicklung und theoretische Betrachtungen zum lasergestützten 3D-Mikro-Auftragschweißen

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Nondestructive testing of wood-based materials with air-coupled ultrasound

Die Nachfrage nach geeigneten Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Holzbauteilen steigt stetig. Ausschlaggebend für den erfolgreichen Einsatz einer Prüftechnik ist die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem der Zustand der Holzwerkstoffe abgebildet werden kann. Große Flächen sollten schnell und kostengünstig geprüft und bewertet werden können. Verfahren, die den Kontakt zur Oberfläche durch Druck, Wasser oder Gel herstellen, erweisen sich in der Praxis als ungeeignet, da sie das Holz beschädigen und Unebenheiten ein sauberes Ankoppeln erschweren. Größeres Potenzial bieten dagegen berührungslose Verfahren, bei denen die Verwendung luftgekoppelter Prüfköpfe, die über das zu untersuchende Holzbauteil geführt werden, Prüfresultate liefern können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein bildgebendes Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Holzwerkstoffen entwickelt, bei dem das berührungslose Luftultraschall-verfahren im Mittelpunkt steht. Ziel der Prüfung ist die Abbildung unterschiedlicher Fehlstellen, zum Beispiel Delaminationen, Fäule oder Risse. Die Messungen werden dabei sowohl in Durchschallung als auch in Reflektion durchgeführt. In Durchschallungsanordnung lassen sich Delaminationen und Minderdicken, aber auch Risse und Fäule bis in einer Tiefe von 200 mm abbilden. In Reflektionsanordnung können sowohl Delaminationen als auch Minderdicken und deren Tiefenlage in bis zu 40 mm dicken Plattenwerkstoffen detektiert werden. Für die Messung in Reflektion wurde eine neue Abschirmvorrichtung entwickelt, die ein direktes Übersprechen der Wandler effektiv verhindert. Marktübliche Messsysteme sind bei einigen Anwendungsfällen nach wie vor nicht zuverlässig genug oder haben eine unzureichende Eindringtiefe. Neuartige ferroelektrische Prüfköpfe aus zellulärem Polypropylen mit Frequenzen von 90 kHz bis 250 kHz und einer höheren Leistungsfähigkeit können diese Lücke schließen und die gängigsten Anwendungsbereiche abdecken. Als Trägersystem der Prüfköpfe dient ein stationärer Scanner oder ein neukonzipiertes mobiles Handmessgerät. So ermöglicht das entwickelte Verfahren ein schnelles, kontaktloses und kostengünstiges Überprüfen von Holzwerkstoffen bei einer hohen Eindringtiefe aufgrund einer vorteilhaften Impedanz für die Transmission von Ultraschallwellen. Für die Darstellung der Messergebnisse wurde sowohl die Laufzeit als auch die Amplitude des Signals ausgewertet. Die Ergebnisse des Ultraschallverfahrens wurden mit denen des Radar- und Röntgenverfahrens abgeglichen oder bei Bedarf mit dem Bohrwiderstandsverfahren verifiziert. Diese Überprüfung sowie der Vergleich mit anderen berührungslosen Prüfverfahren zeigen, dass Luftultraschall eine vielversprechende Technik ist, die für die moderne Qualitätssicherung geeignet und im Vergleich mit anderen zerstörungsfreien Verfahren im Hinblick auf Messgeschwindigkeit und Genauigkeit konkurrenzfähig ist.The demand for suitable nondestructive testing methods of wood components is increasing. Decisive for the use of the technology is the development of a process with which the condition of the wood-based materials can be imaged. The test must be able to check and evaluate large areas quickly and inexpensively. Procedures that contact the surface by pressure, water or gel are not practical because they can damage the wood and bumps make the coupling difficult. There is great potential in non-contact methods. By using air-coupled transducers, which are moved over the wood specimen, this goal could be achieved. Within the scope of this work, an imaging test procedure was developed to test wood-based materials nondestructively. Air coupled ultrasound is a focal point of the work. The goal of this technique is the imaging of various defects, such as delamination, rot or cracks. The measurements are carried out both in transmission and in reflection on the components. In transmission, delamination and reduced thicknesses but also cracks and rot can be imaged up to a depth of 200 mm. With the reflection technique delamination and reduced thicknesses and their depth can be detected in up to 40 mm thick plate materials. For the measurement in reflection, a new shielding was developed, which effectively prevents direct crosstalk of the transducers. Commercially available measuring systems are still not reliable enough in some applications or have an insufficient penetration depth. Novel ferroelectric transducers made of cellular polypropylene with frequencies from 90 kHz to 250 kHz and a higher performance close this gap. The carrier system is a stationary scanner or a newly developed mobile handheld device. The method allows a fast, contactless, and cost-effective testing of wood-based materials at a high penetration depth due to a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves. For the representation of the measurement results both the time of flight and the amplitude of the signal are evaluated. The ultrasound procedure was compared with the radar and X-ray method or verified with the drilling resistance if necessary. The results and the comparison with other non-contact test methods show that air-coupled ultrasound is a promising technique suitable for modern quality assurance and competitive with other nondestructive methods in respect of velocity and accuracy

Laser- and LED-initiated NIR-Photopolymerization with thermal and photonic Processes for coatings

Die Photopolymerisation von Monomeren und Präpolymeren wurde mittels Initiierung im nahen Infrarotbereich (NIR) durchgeführt. Bei dem Initiierungs-mechanismus handelt es sich um eine photosensibilisierte Elektronen-transferreaktion zwischen Heptamethincyaninabsorbern im angeregten Zustand und Initiatoren, die nach Zerfall der Produkte initiierende Radikale und Kationen zur Verfügung stellt. In Konkurrenz zur photochemischen Reaktion steht die photophysikalische Desaktiverung des angeregten Zustandes der Absorber, welche über Fluoreszenz oder strahlungslos über innere Umwandlung erfolgen kann. Bei den Absorbern im nahen Infrarot Bereich überwiegt die strahlungslose Desaktivierung, weshalb ein großer Teil der Anregungsenergie in Wärme umgewandelt wird. Mittels Untersuchungen der Kinetik bei Bestrahlung mit LED-Arrays wurde die Effizienz der Photopolymerisation in Abhängigkeit des Initiatorsystems in verschiedenen Monomeren beschrieben und die Effekte mit den Eigenschaften des Absorbers erklärt. Der Absorber muss ein Oxidationspotential besitzen, das in Kombination mit den Reduktionspotentialen der Initiatoren eine negative freie Enthalpie bei der Reaktion aus dem angeregten Zustand ergibt. Zudem sollte die Fluoreszenzquantenausbeute mindestens 5 bis 10 % betragen, da sonst die schnelle Desaktivierung mittels innerer Umwandlung die Wahrscheinlichkeit zum Elektronentransfer verhindert. Vornehmlich ist die Effizienz der Photoreaktion von der Unterdrückung des Rückelektronentransfers abhängig, was durch einen monomolekularen Zerfall oder Reduzierung des oxidierten Absorbers erfolgen kann. Erstmalig konnte die photochemische Bildung von Kationen für ein solches Initiatorsystem nachgewiesen und für die Initiierung der kationischen Polymerisation von Aziridinmonomeren genutzt werden. Diodenlaser mit Anregungswellenlängen von 808 nm und 980 nm mit einem Linienfokus wurden als Lichtquelle zur Photopolymerisation von Oberflächenbeschichtungen genutzt. Dabei ist es neben der Polymerisation möglich den hohen Wärmeeintrag durch innere Umwandlung für Induzierung von Sekundärprozessen, wie das Schmelzen und Verlaufen eines Pulverlacks zur Erzeugung einer homogene Filmschicht, zu nutzen. Mit LED Arrays und Diodenlasern konnte die Photopolymerisation von Beschichtungen mit eingearbeiteten farbigen Partikeln trotz konkurrierender Absorption erreicht werden. Sogar die Härtung von Monomeren mit Blaupigmenten oder funktionellen Nanopartikeln ist somit möglich.The photopolymerization of liquid monomers, prepolymers or powder coatings, being solid at room temperature, were carried out by using near infrared light (NIR). The initiation mechanism is a photosensitized electron transfer reaction between the excited state of a heptamethine cyanine absorber and a radical initiator generating initiating radicals and cations after decomposition of the products. The photochemical reaction competes with photophysical deactivation processes of the excited NIR absorber, which is fluorescence or radiationless deactivation by internal conversion. In case of the heptamethine cyanines absorbing in the range of near infrared, the main deactivation process is radiationless deactivation transferring the excitation energy into heat. The efficiency of the polymerization was analyzed by kinetic measurements after exposure with LED-arrays depending on the initiator system being related to the properties of the absorbers. The oxidation potential of the absorber results in a negative free enthalpy in combination with the initiator considering a reaction after excitation. Furthermore the fluorescence quantum yield should be at least between 5 to 10 %; otherwise the electron transfer would be less probable because of a competing fast deactivation by internal conversion. After the photochemical reaction, the electron back transfer has to be prevented, which is possible by a fast cleavage of the oxidized absorber or an electron transfer from another species to the semi-occupied molecular orbital. For the first time, the photochemical generation of cations by this kind of initiator system was shown and the cations were used to initiate a cationic polymerization of aziridine monomers. For the photopolymerization of entire surfaces the coatings were irradiated at 808 nm and 980 nm with diode laser operating in a line-shaped focus. Thus, internal conversion providing heat induce secondary processes beneath the photopolymerization like the melting and spreading on the substrate of radiation curable powder coatings resulting into a homogeneous film. The photopolymerization of coatings with incorporated coloured particles can be initiated by near infrared radiation of the LED-arrays or diode laser despite competing absorption of light. Thus, it is possible to cure monomers after integration of blue pigments or nanoparticles giving additional functional properties