Festigkeit keramischer sauerstoffionenleitender Membranen und deren reaktivgelöteter Verbunde

Herzog, Simone; Bobzin, Kirsten; Broeckmann, Christoph

doi:41981

Festigkeit keramischer sauerstoffionenleitender Membranen und deren reaktivgelöteter Verbunde = Strength of ceramic oxygen transport membranes and their reactive air brazed joints

Herzog, Simone^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Simone Herzog (geb. Presser)

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-8956-1

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Bobzin, Kirsten (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-12-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-00770
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/888731/files/888731.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (418110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bruchwahrscheinlichkeit (frei) ; Diffusionsbarrieren (frei) ; Kriechrelaxation (frei) ; Reaktivlöten an Luft (frei) ; Thermoschock (frei) ; chemische Dehnung (frei) ; isotherme Alterung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Sauerstoffabscheidung aus der Luft mittels keramischer Membranrohre erfordert gasdicht gefügte Komponenten, die einen versagensfreien Permeationsbetrieb im Sauerstoffpartialdruckgefälle bei 850 °C ermöglichen. Der Testbetrieb in einem Pilotmodul und die dabei beobachteten Schäden haben jedoch Fragen aufgeworfen, deren Beantwortung für künftige Modulentwicklungen und deren Betrieb von ausschlaggebender Bedeutung sind. In dieser Arbeit wird erstens das Verständnis separater Schädigungsmechanismen des Membranwerkstoffs Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ im Langzeitbetrieb erarbeitet und anschließend der damit verbundene Festigkeitsabfall quantifiziert. Anschließend erfolgt die Simulation der orts- und zeitabhängigen Spannungsverteilung während des Betriebs und der Notabschaltung. Die Ergebnisse führen zu einer Neubewertung der Schadenursache, was die Ableitung konstruktiver und prozessseitiger Maßnahmen zur Vermeidung von Membranbrüchen erlaubt. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich aktuellen Herausforderungen des Reaktivlötens an Luft, die überwunden werden müssen, damit Membranrohre ohne Wasserkühlung zuverlässig und effektiv eingesetzt werden können. Dies erfordert optimale Lotverteilung, hohe Verbundfestigkeit und ausbleibende Schädigung der Membran im gelöteten Zustand sowie geringe Veränderung dieses Zustands während der isothermen Alterung. Die durchgeführten Untersuchungen geben Antworten auf die grundlegende Frage mit welchen Prozessparametern und Werkstoffkombinationen diese Anforderungen erfüllt werden können.

Oxygen separation from air by means of ceramic membrane tubes requires gas-tight components that enable failure-free permeation operation in the oxygen partial pressure gradient at 850 °C. However, the test operation and observed membrane failure in a pilot module raised questions, the answers to which are of crucial importance for future module developments and their operation. In this work, firstly, the understanding of separate damage mechanisms of the membrane material Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ in long-term operation is elaborated and then the associated strength degradation is quantified. This is followed by the simulation of the position- and time-dependent stress distribution during operation and emergency shutdown. The results lead to a re-evaluation of the cause of the damage, which allows the derivation of constructive and process-side measures to prevent membrane failure. The second part of the work focuses current challenges of reactive brazing in air, which have to be overcome in order to use membrane tubes reliably and effectively without water cooling. This requires optimal braze distribution, high joint strength and absence of damage to the membrane in the as-brazed condition, as well as little change in this condition during isothermal ageing. The investigations carried out provide answers to the fundamental question of which process parameters and material combinations can be used to meet these requirements.

OpenAccess:
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