209311 20251014152133.0 Laufende Nummer 32137 URN urn:nbn:de:hbz:82-opus-44845 HSB 999910296079 OPUS 4484 RWTH-CONV-143485 English 620 P:(DE-82)149835 Pecanac, Goran 0 Author Thermo-mechanical investigations and predictions for oxygen transport membrane materials vorgelegt von Goran Pećanac online, print Thermomechanische Untersuchungen und Vorhersagen für Sauerstofftransportmembran-Materialien German Aachen Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013 142 S. : Ill., graph. Darst. PUB:(DE-HGF)11 PUB:(DE-HGF) Dissertation / PhD Thesis phd phd 2 EndNote Thesis DRIVER doctoralThesis BibTeX PHDTHESIS DataCite Output Types/Dissertation ORCID DISSERTATION Zsfassung in dt. und engl. Sprache Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013 Fak05 2013-01-28 Eine der effizientesten Wege zur Umsetzung des Oxy-fuel-Prozesses ist die Verwendung keramischer, sauerstoffleitender Membrane zur Sauerstoffabtrennung. Der Oxy-fuel-Prozess führt zu deutlich niedrigeren Wirkungsgradverlusten im Vergleich zur konventionellen kryogenischen Abtrennungstechnologie. Aufgrund der aus der Sauerstoffpartialdruckdifferenz resultierenden Triebkraft wird Sauerstoff über Leerstellen im Kristallgitter der Membran transportiert. Dünne, durch ein poröses Substrat unterstützte, Membraneschichten werden als effizienteste Designumsetzung angesehen. Das poröse Substrat gewährleistet hierbei die mechanische Stabilität der gesamten Membranstruktur. Die Betriebstemperatur ist relativ hoch, da die Freisetzung von Sauerstoffatomen aus dem Gitter bei erhöhten Temperaturen den Transportprozess unterstützt. Aufgrund ihrer vorteilhaften Transporteigenschaften, einer essentiellen funktionalen Voraussetzung, wurden verschiedene Materialien als vielversprechendes Membran- und Substratmaterial vorgeschlagen, im Einzelnen: Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d, La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-d, Ce0.9Gd0.1O1.95-d und als alternatives Substratmaterial, die neuartige Fe21Cr7Al1Mo0.5Y Legierung. Zielsetzung der vorliegenden Studie ist die thermo-mechanische Charakterisierung und der Vergleich dieser Materialien. Fundamentale mechanische Charakteristika wie elastisches Verhalten und Versagenseigenschaften wurden ermittelt, um die Langzeitfunktionalität der Materialien sicherzustellen. Die Langzeitverlässlichkeit hängt jedoch nicht nur von der anfänglichen Festigkeit ab, sondern auch von Festigkeitsdegradationseffekten. Insbesondere wurde die Empfindlichkeit für Umgebungsmedium unterstütztes Risswachstum bei unterkritischen Spannungsniveaus betrachtet und als Basis für eine Festigkeits-Wahrscheinlichkeits-Zeit Lebensdauervorhersage verwendet. Da bei betriebsrelevanten (erhöhten) Temperaturen Langzeitversagen aufgrund von Kriecheffekten möglich ist, wurden Kriechverhalten und Kriechversagenszeit charakterisiert. Zusätzlich wurden die mechanischen Belastungsgrenzen der dünnen Membranschicht und ihr Effekt auf die Substratstabilität betrachtet. Unterstützende numerische Simulationen zur Analyse der experimentell bestimmten mechanischen Eigenschaften wurden durchgeführt, da analytische Standardgleichungen (ASTM C 1499) auf ebene Einzelschicht-Proben begrenzt sind. Die hauptsächlich experimentell basierte Arbeit wurde zusätzlich durch numerische Simulationen unterstützt, um das Membrandesign zu optimieren und den Effekt der letztendlichen geometrischen Membanstrukturumsetzung (planar oder tubular) und des Schichtdickenverhältnisses zu erfassen. ger One of the most efficient ways to realize an Oxy-fuel process is the utilization of ceramic oxygen transport membranes (OTMs) for air separation, since this process provides a significantly lower efficiency loss compared to conventional cryogenic separation technologies. Driven by the difference in oxygen partial pressure, the oxygen transport takes place via oxygen vacancies in the crystal lattice of the membrane. Thin membrane layers supported by a porous substrate are considered as the most efficient design solution for such air separation units. The porous substrate should provide mechanical stability of the entire membrane structure. The operational temperatures are rather high, since the release of oxygen atoms from the lattice at elevated temperatures aids the transport processes. Due to their favorable permeation properties, which are an essential functional prerequisite, several materials were suggested as promising membrane and substrate materials, namely: Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d, La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-d, Ce0.9Gd0.1O1.95-d and as alternative substrate material, the novel Fe21Cr7Al1Mo0.5Y alloy. The current study aims at the thermo-mechanical characterization and comparison of those materials. Fundamental mechanical characteristics such as elastic behavior and fracture properties were evaluated to warrant the long-term functionality of these materials. However, the long-term reliability of the component does not only depend on its initial strength, but also on strength degradation effects. In particular, the sensitivity to environmentally enhanced crack propagation at subcritical stress levels was assessed and also used as a basis for a strength–probability–time lifetime prediction. Creep behavior and time to rupture were characterized, since at operation relevant (elevated) temperatures long-term failure may occur due to creep damage. The mechanical limit of the thin membrane layer and its effect on the stability of the substrate material was also addressed. Complementary numerical simulations were carried out to permit an assessment of the experimentally obtained mechanical characteristics since standard analytical relationships (ASTM C 1499) are limited to flat mono-layer specimens. The mainly experimentally based work was additionally supported by numerical simulations to assess the effects of the final membrane´s geometrical arrangement (i.e. tubular and planar) and thickness ratios of particular layers, in order to optimize the membrane design. eng Germany SWD Thermomechanische Eigenschaft SWD Bruchfestigkeit SWD Lebensdauer SWD Finite-Elemente-Methode SWD Kriechen SWD Membran Ingenieurwissenschaften ger Membranen ger langsames Risswachstum eng membranes eng subcritical crack growth eng fracture strength eng creep eng finite element method eng failure P:(DE-82)IDM01039 Schneider, Jochen M. 1 Thesis advisor http://publications.rwth-aachen.de/record/209311/files/4484.pdf oai:publications.rwth-aachen.de:209311 VDB driver urn open_access openaire dnbdelivery StatID:(DE-HGF)0510 StatID OpenAccess I:(DE-82)521110_20140620 521110 Lehrstuhl für Werkstoffchemie 0 I:(DE-82)520000_20140620 520000 Fachgruppe für Metallurgie und Werkstofftechnik 1 HT017600678 FullTexts phd I:(DE-82)521110_20140620 I:(DE-82)520000_20140620 VDB UNRESTRICTED ConvertedRecord FullTexts