Charakterisierung und Modellierung des Material- und Bauteilverhaltens keramischer Membranen für die Sauerstoffbereitstellung des Systems Sr 0,5 Ca 0,5 Mn 1-y Fe y O 3-delta unter Einbeziehung von Gas-Festkörper-Wechselwirkungen:
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1 EINLEITUNG 4
1 . 1 OEKOLOGISCHES UND OEKONOMISCHES POTENTIAL SAUERSTOFFLEITENDER
KERAMISCHER MEMBRANEN 4
1.2 ZIELSTELLUNG DER ARBEIT 7
2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 10
2. 1 ANWENDUNGSFELDER VON PEROWSKIT-KERAMIKEN FUER DIE
SAUERSTOFFBEREITSTELLUNG 10
2.1.1 SAUERSTOFFBEREITSTELLUNG DURCH SAUERSTOFFLEITENDE MEMBRANEN 10
2.1.2 SAUERSTOFFBEREITSTELLUNG DURCH REVERSIBLE SAUERSTOFFSPEICHERUNG 11
2.1.3 *IN SITU ANWENDUNGEN 13
2.2 WERKSTOFFSEITIGE VORAUSSETZUNGEN FUER DIE SAUERSTOFFBEREITSTELLUNG
MITTELS KERAMISCHER MATERIALIEN 16
2.2.1 CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG UND KRISTALLSTRUKTUR VON KERAMIKEN FUER
DIE SAUERSTOFFBEREITSTELLUNG 16
2.2.2 BILDUNG VON SAUERSTOFFVAKANZEN 17
2.2.3 SAUERSTOFFPERMEATION DURCH GEMISCHT LEITENDE KERAMIKEN 21
2.2.4 ELEKTRONISCHE UND IONISCHE LEITFAEHIGKEIT 22
2.2.5 SAUERSTOFFPERMEATION UND LIMITIERENDE GRENZFLAECHENREAKTIONEN 25
2.3 VERFAHRENSTECHNISCHE VORAUSSETZUNGEN FUER DIE
SAUERSTOFFBEREITSTELLUNG MITTELS KERAMISCHER MATERIALIEN 28
2.4 TEMPERATUR- UND SAUERSTOFFSENSIBLE MATERIALEIGENSCHAFTEN 31
2.5 CHEMISCH INDUZIERTE DEHNUNGEN UND SPANNUNGEN 33
2.5.1 CHEMISCHE INDUZIERTE DEHNUNG 33
2.5.2 CHEMISCH INDUZIERTE SPANNUNGEN 35
2.6 MATERIALAUSWAHL FUER EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN UND SIMULATIONEN
38
3 EXPERIMENTELLE METHODEN ZUR MATERIALCHARAKTERISIERUNG
UND PROBENPRAEPARATION 39
3.1 PRAEPARATION DER PROBEN 39
3.1.1 HERSTELLUNG KERAMISCHER PULVERPROBEN 40
3.1.2 HERSTELLUNG KERAMISCHER PROBEKOERPER 40
3.1.3 BESTIMMUNG DER REFERENZSTOECHIOMETRIE ABO Z 42
3.2 THERMOGRAVIMETRISCHE UND DIFFERENTIALKALORIMETRISCHE MESSUNGEN
DSC/TG 43
3.3 HERSTELLUNG VON PROBEN MIT UNTERSCHIEDLICHER SAUERSTOFFSTOECHIOMETRIE
45
3.4 ROENTGENBEUGUNG XRD 45
3.5 LASERHASH-MESSUNGEN 48
3.6 BESTIMMUNG MECHANISCHER UND BRUCHMECHANISCHER KENNWERTE MITTELS
VIERPUNKTBIEGUNG 49
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN HTTP://D-NB.INFO/1011656086
DIGITALISIERT DURCH
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3.7 BESTIMMUNG DER SAUERSTOFFPERMEATION 51
4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 54
4.1 SAUERSTOFFSTOECHIOMETRIE (3-5) IN ABHAENGIGKEIT VON DER TEMPERATUR UND
DEM SAUERSTOFFPARTIALDRUCK 54
4.2 CHEMISCH INDUZIERTE DEHNUNGEN 62
4.3 THERMISCHE EFFEKTE AUS REAKTIONEN MIT DER GASPHASE 65
4.4 THERMOPHYSIKALISCHE MATERIALEIGENSCHAFTEN 69
4.4.1 WAERMELEITFAEHIGKEIT 69
4.4.2 WAERMEKAPAZITAET 73
4.4.3 THERMISCHE DEHNUNG 75
4.5 MECHANISCHE UND BRUCHMECHANISCHE MATERIALEIGENSCHAFTEN 79
4.5.1 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 79
4.5.2 BRUCHMECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 85
4.6 MESSUNGEN DER SAUERSTOFFPERMEATION DURCH ZYLINDRISCHE PROBEN
(TABLETTEN) 87
4.6.1 NORMIERUNG DER SAUERSTOFFPERMEATION 87
4.6.2 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER SAUERSTOFFPERMEATION 88
4.6.3 ABHAENGIGKEIT DER SAUERSTOFFPERMEATION VON DER SCHICHTDICKE 92
4.6.4 ABHAENGIGKEIT DER SAUERSTOFFPERMEATION VOM
SAUERSTOFFPARTIALDRUCKGRADIENTEN 94
5 MODELLIERUNG DES KOMPLEXEN MATERIAL- UND BAUTEILVERHALTENS
SAUERSTOFFLEITENDER MEMBRANEN 96
5.1 PRINZIPIELLE VORGEHENSWEISE BEI DER MODELLIERUNG DES MATERIAL- UND
BAUTEILVERHALTENS SAUERSTOFFPERMEABLER MEMBRANEN 98
5.1.1 BERECHNUNG DER TEMPERATURVERTEILUNG AN EINER SAUERSTOFFLEITENDEN
MEMBRAN 99
5.1.2 BERECHNUNG DER SAUERSTOFFPERMEATION UND
SAUERSTOFFPARTIALDRUCKVERHAELTNISSE ENTLANG EINER SAUERSTOFFLEITENDEN
MEMBRAN 101
5.1.3 BERECHNUNG DER LOKALEN SAUERSTOFFSTOECHIOMETRIE (3-8) 103
5.1.4 ZUORDNUNG TEMPERATUR- UND SAUERSTOFFSTOECHIOMETRIESENSIBLER
MATERIALKENNWERTE 104
5.2 BERECHNUNGEN ZUM VERHALTEN VON SAUERSTOFFLEITENDEN MEMBRANEN UNTER
ANWENDUNGSBEDINGUNGEN MIT DER FINITEN ELEMENTE METHODE 107
5.2.1 SIMULATION EXPERIMENTELL BESTIMMTER MESSWERTE DER
SAUERSTOFFPERMEATION (TABLETTENMESSPLATZ) 108
5.2.2 SIMULATION EINER ROEHRENFOERMIGEN SAUERSTOFFPERMEABLEN MEMBRAN 1 17
6 ZUSAMMENFASSUNG 126
7 ANHANG 131
8 QUELLENNACHWEIS 139
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