Development of micro-heating elements based on bilayers PVD coatings and evaluation of their robustness under electro thermal and cavitation erosive load in nucleate boiling
Synthesis and Properties of Functional Materials
Final Report Abstract
Das Projekt RUBI (Reference mUltiscale Boiling Investigation, Kooperation von ESA, Airbus und dem Institut für Technische Thermodynamik) hat zum Ziel den Siedeprozess zu verlangsamen und präziser aufzulösen als bisher, in dem das Siedephänomen unter Schwerelosigkeit untersucht wird. Ein zentrales Element des dafür notwendigen Messaufbaus ist der Heizer, ein Bariumfluoridkristall, welcher mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) mit einer hochemissiven Chromnitridund einer als Heizer arbeitende Chromschicht besputtered wird. Dieser wurde am Zentrum für Konstruktionswerkstoffe entwickelt und in diesem Projekt optimiert. Die ursprüngliche Planung des Projektes beinhaltet die Bewertung der Beständigkeit des Heizers unter experimentell spezifischen Belastungen. Es hat sich bereits zu Beginn des Projektes herausgestellt, dass der Heizer in seiner grundsätzlichen Konzeption die notwendigen Anforderungen erfüllt, weitere Forschung zur Hebung von Optimierungspotenzialen notwendig ist, um die spezifischen Anforderungen zu erfüllen. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Technische Thermodynamik an der TU Darmstadt wurde hierbei die Kontaktierung so optimiert, das eine dauerhafte Verbindung, bei gleichzeitig geringem Kontaktwiderstand (zur Vermeidung von parasitären Sieden) hergestellt ist. Außerdem wurde der spezifische Emissionsgrad erstmalig experimentell ermittelt. So konnte auch untersucht werden, ob Haftverbesserungen durch ein erhöhtes Startbias (100V) zu einer Veränderung der Emissionsgradeigenschaften führen. Für die Anpassung des Flächenwiderstands an die elektronischen Versuchsbedingungen des gesamten experimentellen Aufbaus musste die Schichtdicke der Chromheizerschicht reduziert werden. Prozessbedingt wurde hierbei auch die Chromnitridschicht reduziert. Dadurch ergab sich die Notwendigkeit einer emissionsgradspezifischen Überprüfung der Funktionalität des widerstandsoptimierten Heizers. Bei reduzierter Gesamtschichtdicke von 1000 nm zu 600 nm ist die optische Funktionalität gleich gut, da sich Schichtdickenabhängige Emissionsgradplateaus ausbilden. Bei einem Widerstand von 19 Ohm beträgt der Emissionsgrad für den endgültigen, im Parabelflug-Versuch eingesetzten Heizer 0,95. Für das definierte Wachsen der Blase war die Entwicklung einer Keimstelle mit genügend Gasdepot notwendig. Hierbei wurde ausgehend von ersten Vorversuchen mit Vickerseindrücken letztendlich eine L-förmige Laserkeimstelle gewählt. Prozessbedingt wird dabei die Kristalloberfläche in Wasser getaucht. Das führt erwartungsgemäß zu einem Angriff der Kristalloberfläche durch Anlösen, aber auch zusätzlich zu Ablagerungen. Im Projekt wurde deshalb ein Verfahren entwickelt, welches es ermöglicht, die Reduktion der substratschädigungsbedingten Emissionsgradeigenschaften durch einen aufwendigen, kristallindividuellen Reinigungs- und Polierprozess rückgängig zu machen. Sämtliche Optimierungsschritte wurden parallel von Airbus Defence and Space mittels verschiedener Lebensdauertests auf ihren Einfluss für den gesamten experimentellen Aufbau hin untersucht. Anschließend an die abgeschlossenen Optimierungen fanden neben Versuchen am Boden zwei Parabelflüge statt, welche die endgültigen Versuchsparameter für die ISS festlegten und die letzten vollumfänglichen Versuche für den Heizer darstellten. Hierbei konnte, genauso wie vorher keinerlei Schädigung oder messbare Alterung im Laufe oder im Anschluss an die Versuche festgestellt werden. Seit August 2019 befindet sich der gesamte, schuhkartongroße Messaufbau von RUBI auf der ISS. In den ersten Versuchen konnte eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nachgewiesen werden. Zusätzlich zu der Heizerentwicklung wurde in diesem Projekt ein umfassendes Verständnis zum Zusammenhang zwischen den Beschichtungsparametern und dem Emissionsgrad bei Chromnitridschichten gewonnen werden. So kann die notwendige Biasspannung, sowie eine minimale Schichtdicke für einen hohen Emissionsgrad definiert werden. Außerdem hat sich dadurch gezeigt, dass insbesondere die Kombination aus Chromnitrid und der Heizerschicht Chrom für einen Emissionsgrad von 0,95 auch bei sehr kleinen Schichtdicken verantwortlich ist. Bereits während der Projektlaufzeit zeigen sich viele weitere Anwendungsoptionen für diese Schichtkombination auf. So benötigen viele thermodynamische Experimente, welche sich mit Verdampfen, Sieden, Tropfenaufprall und Mikrofilmausbildung beschäftigen eine solche Heizerschicht, um die Temperaturverteilung beobachten zu können. Geometrische Veränderungen aber auch Schichtanpassungen müssen hierbei anforderungsgerecht gestaltet werden. Außerdem prüfen wir gerade den Einsatz der Schicht als Hochtemperaturthermolack.
Publications
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Experimental Investigation of Single Bubble Nucleate Boiling in Microgravity.
Microgravity Science and Technology, Vol. 32. 2020, pp. 597–607.
Iman Nejati, Axel Sielaff, Benjamin Franz, Matthias Zimmermann, Philipp Hänichen, Kai Schweikert, Julian Krempel, Peter Stephan, Herbert Scheerer, Tom Engler, Anne Martin, Matthias Oechsner
