Schädigung von Dieselpartikelfiltern aus Cordierit durch Aschen: Mechanismen und Schutzmaßnahmen
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- Miriam Weiss
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1 Schädigung von Dieselpartikelfiltern aus Cordierit durch Aschen: Mechanismen und Schutzmaßnahmen Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften der Geowissenschaftlichen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen vorgelegt von Nicolas Maier aus Tübingen 2009
2 Tag der mündlichen Prüfung: Dekan: Prof. Dr. Peter Grathwohl 1. Berichterstatter: Prof. Klaus G. Nickel, Ph. D. 2. Berichterstatter: Prof. Dr. Michael J. Hoffmann
3 Berichte aus der Materialwissenschaft Nicolas Maier Schädigung von Dieselpartikelfiltern aus Cordierit durch Aschen: Mechanismen und Schutzmaßnahmen D 21 (Diss. Universität Tübingen) Shaker Verlag Aachen 2009
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2009 Copyright Shaker Verlag 2009 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Danksagungen Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Arbeit bei der Robert Bosch GmbH im Rahmen des von Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts CorTRePa (Cordierit für thermochemisch resistente Partikelfilter). An dieser Stelle möchte ich den zahlreichen Personen danken, die mich während meiner Arbeit unterstützt haben. Für die Betreuung der Arbeit, interessante Diskussionen und alles, was ich in den drei Jahren meiner Arbeit von ihnen gelernt habe, möchte ich Frau Dr. Christine Engel und Herrn Dr. Andreas Mattern von der Robert Bosch GmbH, sowie Herrn Prof. Klaus G. Nickel, Ph. D. vom Institut für Geowissenschaften der Universität Tübingen danken. Herrn Prof. Dr. Michael J. Hoffmann vom Institut für Keramik im Maschinenbau der Universität Karlsruhe danke ich für seine Arbeit als Zweitberichterstatter für meine Arbeit Großer Dank gebührt auch allen Praktikanten, die im Rahmen des Projekts CorTRePa bei der Robert Bosch GmbH beschäftigt waren und die durch ihre Unterstützung bei zahlreichen Versuchsreihen zum Gelingen der vorliegenden Arbeit beigetragen haben. Insbesondere möchte ich Frau Stefanie Schmelter und Frau Qingqi Yan danken, ohne deren Arbeit zur Beaschung, Auslagerung und mechanischen Prüfung von Proben die Durchführung der umfangreichen Versuchsreihen zum Korrosionseinfluss auf mechanische Werkstoffeigenschaften nicht möglich gewesen wäre. Bedanken möchte ich mich auch bei allen Kollegen der Abteilungen CR/ARM, CR/ARA, CR/ARC und DS-ET/EFC der Robert Bosch GmbH, die durch tatkräftige Unterstützung, hilfreiche Tipps und fruchtbare Diskussionen zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Leider kann ich an dieser Stelle nicht alle von ihnen namentlich erwähnen. Stellvertretend möchte ich drei Personen danken, die mich bei meiner Arbeit in besonders hohem Maße unterstützt haben: Frau Irmgard Mann danke ich für die Präparation meiner Proben für REM- und EDS-Untersuchungen. Frau Dr. Christiane Müller und Herrn Dr. Thomas Köhler danke ich für die Durchführung und Auswertung der XRD-Messungen an meinen Proben. I
6 Herrn Dr. Christoph Berthold vom Institut für Geowissenschaften der Universität Tübingen danke ich für die freundliche und kompetente Unterstützungen bei meinen in Tübingen durchgeführten Versuchen und Messungen. Den Projektpartnern im Projekt CorTRePa danke ich für die stets gute und angenehme Zusammenarbeit. Besonderer Dank gilt den Mitarbeitern des Hermsdorfer Instituts für Technische Keramik e.v. (HITK) außerdem für die Herstellung zahlreicher Proben für meine Versuche. Abschließend möchte ich ganz besonders meiner Familie danken, die mich jederzeit unterstützt und immer ein sicherer Rückhalt in meinem Leben war und ist, sowie meinen Freunden, die mir bei vielen Gelegenheiten geholfen haben, für eine Weile den nötigen Abstand zu meiner Arbeit zu finden und die mich auch an schwierigen Tagen wieder zurück auf den Boden geholt haben. II
7 Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung Abstract 1 2 Theoretische Grundlagen der Arbeit Partikel aus Dieselmotoren: Zusammensetzung und Gefährdungspotential Dieselpartikelfilter Filteraufbau und Materialien Regeneration Cordierit als Material für Dieselpartikelfilter Schädigung von Partikelfiltern durch Aschen Ansätze zum Schutz von Cordieritfiltern vor korrosivem Ascheangriff Modifikation des Cordierit durch Substitution Aufbringung reaktiver Schutzschichten (Getter) Zielsetzung der Arbeit Experimentelle Grundlagen und Analysemethoden Verwendete Materialien Cordieritsubstrate Verwendete Substanzen für die Schädigung von Cordierit Getter Temperaturbehandlungen Isotherme Auslagerungen Thermozyklische Auslagerungen Kurzzeit-Auslagerungen in vorgeheiztem Ofen Verwendete Analysemethoden Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie Röntgenbeugung III
8 3.3.3 Mechanische Prüfungen Messung thermischer Ausdehnungskoeffizienten Messung des Erweichungsverhaltens von Cordierit im optischen Dilatometer Thermodynamische Berechnungen Versuchsdurchführung und Ergebnisse Charakterisierung der Cordierit-Basismaterialien Unbehandelte Proben Verhalten bei thermozyklischer Auslagerung Versuche zur Schädigung von Cordierit durch Aschen Grundlagen: Verhalten von Asche bei hoher Temperatur, Interaktion mit Cordierit Versuche zur Auswirkung des Ascheangriffs auf mechanische Eigenschaften von Cordierit Versuche zu Wechselwirkungen von Aschebestandteilen Versuche zum Ascheangriff bei kurzen Temperaturspitzen Versuche mit Modellasche MA Versuche mit Mischungen von Aschekomponenten Versuche zu Schutzmaßnahmen Versuche an Cordieriten mit Substitutionselementen Versuche an Cordieriten mit Getterbeschichtung Diskussion der Ergebnisse Charakterisierung der Cordierit-Basismaterialien Grundlegende Informationen zum Schädigungsmechanismus Auswirkungen des Ascheangriffs auf mechanische Eigenschaften Wechselwirkungen von Aschebestandteilen Modelle für das Schädigungsverhalten der Modellaschen Modellasche MA Modellasche MA Modellasche MA Prüfung möglicher Schutzmaßnahmen Cordierit mit Substitutionselementen Cordierit mit Getterbeschichtung IV
9 6 Ausblick Liste der verwendeten Abkürzungen und Formelzeichen Anhang Berechnung der Widerstandsmomente wabenförmiger Proben Übersicht: charakteristische Festigkeiten, Weibullmoduln XRD-Messungen an Modellaschen nach isothermen Auslagerungen Erläuterungen zu den in Versuchen verwendeten Aschemengen Spannungen in Substraten mit gradierter Infiltration durch Fremdphasen Zusammenfassung: Wechselwirkungen von Aschebestandteilen. 246 Literaturverzeichnis 250 V
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