http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png

Entwicklung glasbasierter Dichtungsmaterialien für das Fügen von Sauerstofftransportmembranen = Development of glass-based sealants for the joining of oxygen transport membranes

Li, Xinfang^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Xinfang Li

Ausgabe[überarbeitete Auflage]

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Überarbeitete Auflage mit Korrektur von Abbildungen. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Natour, Ghaleb (Thesis advisor)^RWTH* ; Reisgen, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Meulenberg, Wilhelm Albert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-00593
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/862866/files/862866.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (417610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CTE (frei) ; OTM (frei) ; glass-based sealants (frei) ; joining property (frei) ; oxygen transport membranes (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Doktorarbeit wurden verschiedene glasbasierte Dichtungsmaterialien zum Fügen von Sauerstofftransportmembranen (OTM) entwickelt, die passende Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zu Membran- und Trägermetallen aufweisen. Das Kristallisationsverhalten des für die Dichtung der SOFC als Komposit verwendete BaO–CaO–SiO2–B2O3-Matrixglas (H) und drei neu für die Anwendung bei der OTM entwickelte Glaslote des Systems BaO–SrO–SiO2–B2O3 (BS) werden diskutiert. Neben der Glasbildungsstabilität von Matrixgläsern wurden Kompositwerkstoffe untersucht, wobei neben Füllstoffart und -menge und deren Einfluss auf den CTE auch die chemische Interaktion zwischen Füllstoffmaterial und Glasmatrix analysiert wurde. Des Weiteren wurde die mechanische Festigkeit, das Sinter- und viskose Fließverhalten von Glaspulverpresslingen, das Füge- und Dichtverhalten von Stahl-Lot-Stahl bzw. Keramik-Lot-Stahl Verbindungen untersucht. Für ausgewählte Lote wurden die thermische Zyklierfähigkeit und Langzeitstabilität getestet. In einer Machbarkeitsstudie wurden schnelle Fügeprozesse untersucht, um Energiekosten bei der Fertigung einzusparen. Als OTM wurde SrTi0.75Fe0.25O3-δ (STF25) verwendet, als Gehäusepartner dienten der ferritische Stahl Aluchrom (im Anlieferungszustand und voroxidiert) und Crofer22APU.Das Glas H des BaO–CaO–SiO2–B2O3-Systems wurde zuerst auf Glasbildungs- und Kristallisationstendenz und thermische Dehnung analysiert. Das kristalline Verhalten von Glas H als Dichtungsmatrix wurde experimentell mit Röntgenbeugungsanalyse (XRD) untersucht und die Phasenbildung durch thermodynamische Simulation mit der Software FactSage vorhergesagt. Glas H weist im Vergleich zu STF25 und Aluchrom einen relativ niedrigen CTE (9,6 × 10-6 K-1) auf. Daher wurden neuartige Kompositmaterialien mit Glas H als Matrix hergestellt. Neun verschiedene Füllstoffmaterialien wurden Glas H in verschiedenen Mengen hinzugefügt, um eine Verbesserung des CTE der Kompositlote zu erzielen. Das viskose Fließverhalten von Verbundwerkstoffen wurde mittels Erhitzungsmikroskopie untersucht, um die optimale Fügetemperatur zu ermitteln. Das Fügeverhalten der Kompositlote nach verschiedenen thermischen Fügeprozessen wurde mit Hilfe von Helium-Lecktests an Fügeverbindungen, mit Röntgen-Computertomographie (CT) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) an Querschnitten der Fügeverbindungen beobachtet. Die Verbindungen zeigten niedrige Helium-Leckraten von weniger als 10-9 mbar·l·s-1 und eine gute Haftung der Glasdichtungen an Trägermetallen und Membrankeramik STF25. Mechanische Scherfestigkeiten von Glas-Kompositloten wurden durch Torsionstest an den sanduhrförmigen Proben gemessen. Eine höhere Scherspannung bis zu 62,2 MPa wurde an Verbundwerkstoffen festgestellt, denen 40 Gew.-% Silber zur Glasmatrix H (HAg40) hinzugefügt wurden. HAg40 konnte 20 thermischen Zyklen widerstehen und hat bei 800 °C eine gute thermische Stabilität über einen Zeitraum von 1500 h gezeigt. Dieses Kompositlot auf Basis von Glas H- ist ein vielversprechender Kandidat als Dichtungsmaterial für OTM.Es wurden drei neue BaO–SrO–SiO2–B2O3 (BS)-Glasdichtstoffe mit unterschiedlichen SrO-Gehalten (6-25 Mol-%) entwickelt. Der Gehalt an Strontium wurde hinsichtlich seines Einflusses auf die Glasbildung, der thermischen Dehnung, die Kristallisation, das Schwindungsverhalten, das viskose Fließen und das Fügeverhalten untersucht. Das Glas mit 15 Mol-% (BS15) SrO erzeugte mit STF25 und Aluchrom den am besten passenden CTE von 11,9 × 10-6/K. Die optimale Fügetemperatur des BS15-Glases wurde nahe der Halbkugeltemperatur gewählt. Eine Sandwich-Probe, mit BS15-Glas gelötet bei 1075 °C für 5 min, erreichte eine gute Gasdichtigkeit mit einer niedrigen Helium-Leckrate und ist ein weiterer interessanter Kandidat für die Abdichtung von OTM.

In this thesis, different glass-based sealants were developed for joining oxygen transport membranes (OTM) to obtain matching the coefficient of thermal expansion (CTE) with membrane and support metals. The crystallization behavior of the BaO–CaO–SiO2–B2O3 system glass (H) and BaO–SrO–SiO2–B2O3 system glasses (BS) will be discussed. In addition, the glass-forming stability of glass matrices, filler type and amount effect on CTE, chemical compatibility, mechanical strength, shrinking behavior, viscous flow property, joining behavior, thermal cycling and long-term thermal stability were analyzed for various glass-based sealants. The feasibility of the fast joining process was also investigated to economize the energy costs of the heating process. SrTi0.75Fe0.25O3-δ (STF25) was used as an OTM, and the sealing partners were ferritic steel Aluchrom, pre-oxidized Aluchrom and Crofer22APU.BaO–CaO–SiO2–B2O3 system glass H matrix was first investigated with respect to its glass-forming tendency, crystallization and CTE. The crystalline behavior of glass H as the sealant matrix was investigated and predicted by experimental X-ray diffraction (XRD) analysis and the simulation using the thermodynamic package FactSage. Glass H exhibits a relatively low CTE (9.6 × 10-6 K-1) compared to STF25 and Aluchrom. Nine different filler materials were added to glass H in various amount for improving the CTE of glass-based composite sealants. Dilatometric tests were carried out to observe the influence of filler on thermal expansion. The viscous flow behavior of the composite sealant was investigated by hot stage microscopy (HSM) to determine the optimal joining temperature. The joining behavior of glass-based sealants for different thermal joining processes were analyzed via helium leakage testing, X-ray computed tomography (CT) inspection, scanning electron microscopy (SEM) analysis on cross-sections of the joints. The joints showed low helium leak rates smaller than 10-9 mbar·l·s-1 and good adherence of the glass sealants to the support metals and STF25. The mechanical shear strengths of sealants were measured by torsion testing on hourglass-shaped samples. A higher shear stress up to 62.2 MPa was found on composite joint which 40 wt.% Ag (HAg40) was added. HAg40 was able to withstand 20 times thermal cycles between room temperature and 800 °C and exhibited good thermal stability at 800 °C for up to 1500 h. These glass H-based sealants are promising candidates for OTMs.Three new BaO–SrO–SiO2–B2O3 (BS) glass sealants with different SrO contents (6-25 mol%) were developed for OTM joining applications. The strontium content was investigated in terms of its effect on the glass-forming tendency, thermal expansion, crystallization, shrinkage behavior, viscous flow, and joining behavior. The CTE value decreases with the increasing SrO content of the BS glasses. The glass with 15 mol% (BS15) SrO produced the best matching CTE (11.9 × 10-6 K-1) with STF25 and Aluchrom. The crystallization behavior of the BS glasses was investigated by XRD. Sinking dilatometric measurements simulated the joining procedure and observed the shrinkage behavior of the BS glasses. The viscous flow behavior of the BS glasses was investigated via HSM. The optimal joining temperature of the BS15 glass was chosen close at half-ball temperature. The sandwiched sample sealed by the BS15 glass achieved good gas-tightness with a low helium leak rate of < 10-9 mbar·l·s-1.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT021662131

Interne Identnummern
RWTH-2023-00593
Datensatz-ID: 862866

Beteiligte Länder
Germany