Oberflächentechnik und Elektrochemie (M1, M6, M8-WW4)10 ECTS
(englische Bezeichnung: Surface science and electrochemistry)
(Prüfungsordnungsmodul: Oberflächentechnik und Elektrochemie)

Lehrveranstaltungen:

• • Basics Electrochemistry I (WS 2020/2021)
    (Vorlesung, 2 SWS, Alexander Tesler, Mi, 12:15 - 13:45, 0.85)
  • Übung Basics Electrochemistry I (WS 2020/2021)
    (Übung, 1 SWS, Alexander Tesler, Di, 12:15 - 13:45, 0.85)
  • Surface Modification techniques (SS 2021)
    (Vorlesung, 2 SWS, Michael Strebl et al., Di, 10:00 - 11:30, Zoom-Webinar; Nach Vereinbarung in der Vorbesprechung)
  • Berechnung von Korrosionsproblemen (WS 2020/2021)
    (Vorlesung, 1 SWS, Michael Strebl et al., Di, 8:40 - 10:10, 0.85; ab 17.11.2020; Anmeldung über StudOn WW4 digitale Lehrveranstaltung via Zoom / registration via StudOn WW4 digital zoom course; Vorbesprechung: 3.11.2020, 8:30 - 9:00 Uhr, Zoom-Meeting)

Empfohlene Voraussetzungen:

Immatrikulation im MA-Studium

Inhalt:

Surface Modification Techniques
Innerhalb der Materialwissenschaften kommt der Oberflächenmodifikation entscheidende Bedeutung zu. Neben der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit sowie der tribologischen Eigenschaften können dadurch auch gänzlich neue Eigenschaften generiert werden. Im Zuge dieser Lehrveranstaltung werden diverse Methoden der Oberflächenmodifikation und Oberflächenfunktionalisierung beleuchtet. Es werden die Grundlagen aber auch Fallbeispiele derartiger Verfahren erläutert und deren Rolle im Alltäglichen Leben ebenso wie in industriellen Anwendungen Rechnung getragen. Neben den etablierten Methoden werden auch neuartige Ansätze aus den aktuellen Forschungsgebieten des Lehrstuhls erläutert. The tailored modification of surfaces plays an important role in material science. Besides improving e.g. the corrosion- and tribological-properties of material-surfaces by specific methods and approaches, furthermore completely new properties can be achieved. In this course common methods of surface modification and surface functionalization are elucidated. The theoretical background and examples, indicating the relevance of these methods in everyday life as well as for industrial applications, are presented. In addition to the common methods new highly promising approaches are introduced and discussed. Berechnung von Korrosionsproblemen „Die World Corrosion Organization (WCO) schätzte 2009 die wirtschaftlichen Schäden durch Korrosion auf weltweit 1,8 Billionen US-Dollar. In Industriestaaten belaufen sich die jährlichen Kosten durch Korrosion auf bis zu 4 Prozent des Bruttoinlandsproduktes, in Deutschland also auf bis zu 104 Milliarden Euro“ [Deutsches Lackinstitut]. Die hier angeführten Zahlen zeigen, dass Korrosion ein wirtschaftlich sehr bedeutendes Problem darstellt, dem große Beachtung beigemessen werden muss. Das Lernziel der Vorlesung „Berechnung von Korrosionsproblemen“ ist es, mittels im Bachelorstudium erworbenen Kenntnissen, Fallbeispiele typischer Korrosionsprobleme fachlich tiefgehend verstehen und beurteilen zu können. Hierfür werden zum einen häufige grundlegende praxisnahe Probleme definiert und beschrieben. Zum anderen werden durch Abstraktion komplexe Beispiele und Anwendungen auf bekannte Grundlagen heruntergebrochen, quantitativ beschrieben und somit fassbar gemacht.

Basics Electrochemistry
Der Elektrochemie kommt große Bedeutung sowohl im wissenschaftlichen als auch technologischen Kontext zu. Heutige Forschungsarbeiten konzentrieren sich hauptsächlich (aber nicht ausschließlich) auf die Themengebiete Nanotechnologie und Anwendungen der Energietechnik wie Brennstoffzellen, Batteriesysteme und Solarzellen. Prinzipiell widmet sich die Elektrochemie dem Zusammenspiel von Elektrizität und chemischen Reaktionensabläufen in der Art, dass freie chemische Energie, die mit einer Reaktion einhergeht, in elektrische Energie konvertiert wird (z.B. Brennstoffzellen) oder aber elektrische Energie Verwendung findet um beispielsweise stabile Verbindungen zu zersetzen (z.B. Chlorgaserzeugung). Die Lehrveranstaltung leitet die Studierenden an, die Grundlagen der Elektrochemie zu verstehen und erläutert grundlegende Methoden und Arbeitsweisen um elektrochemische Reaktionen und darauf basierende Anwendungen zu verstehen. Electrochemistry plays an important role in scientific and technological fields. Nowadays, the research areas are focused, but not limited, on nanotechnology and energy devices, i.e. fuel cells, battery systems and solar cells. In principle, the electrochemistry involves the study of relationship between electricity and chemical reactions, such that chemical free energy associated with a reaction is converted into electrical energy (e.g. fuel cells) or conversely, electricity is used to decompose stable chemical systems (e.g. production of chlorine). The lecture program provides an opportunity for students to understand the basics of electrochemistry and provide the fundamental tools for understanding electrochemical-reactions and electrochemical-devices.

Lernziele und Kompetenzen:

Surface Modification Techniques
Die Studierenden

• kennen und verstehen die Wirkweise von mechanischen sowie thermomechanischen und reinthermischen Methoden (Strahlverfahren, Nitrierung, Induktionshärtung).
  

• kennen und verstehender die Wirkweise plasmabasierter Methoden, Laser- und Elektronenstrahlverfahren sowie Ionenimplantierung und können diese widergeben.
  

• verstehen die Grundlagen der Lithographie.
  

• können chemische und elektrochemische Konversionsschichten (Phosphatierung, Chromierung, Anodisierung), CVD und PVD Ansätze beschreiben.

• verstehen organische Beschichtungen (Lacke).
  

• definieren selbstorganisierender Monoschichten und selbstorganisierenden anodische Oxidschichten (Nanoporen und Nanoröhren).
  

Illustrating the mode of action of mechanical, thermomechanical and thermal methods (e.g. blasting, nitriding, induction hardening). Describing plasma aided methods, Laser and electron beam methods as well as ion implantation. Understanding the principles of Lithography. Illustrating the mode of action of chemical conversion layers (phosphatization, chromating), electrochemical conversion layers (anodizing) and CVD/PVD techniques. Understanding the basics of organic coatings (paints and lacquers), self-assembled monolayers, self-organized anodic oxide layers (Nanopores, Nanotubes).

Berechnung von Korrosionsproblemen
Die Studierenden

• können den Wirkzusammenhang von Kinetik und Potential bei Korrosionsreaktionen quantitativ erfassen.
  

• können Pourbaix-Diagramme erstellen und sie verstehen.
  

• bewerten Fragestellungen der Hochtemperaturoxidation.
  

• beurteilen Möglichkeiten des Korrosionsschutzes.
  

Quantitative elucidation of the cause-effect relationship between kinetics and potential, Construction of Pourbaix diagrams, Assessment of high-temperature oxidation behaviors of metals and alloys, Evaluation of corrosion-protection approaches

Surface Modification Techniques Veranschaulichen der Wirkweise von mechanischen sowie thermomechanischen und reinthermischen Methoden (Strahlverfahren, Nitrierung, Induktionshärtung). Wiedergeben der Wirkweise plasmabasierter Methoden, Laser- und Elektronenstrahlverfahren sowie Ionenimplantierung. Verstehen der Grundlagen der Lithographie. Beschreiben von chemischen und elektrochemischen Konversionsschichten (Phosphatierung, Chromierung, Anodisierung), CVD und PVD Ansätze. Verstehen organische Beschichtungen (Lacke). Definieren selbstorganisierender Monoschichten und selbstorganisierenden anodische Oxidschichten (Nanoporen und Nanoröhren). Illustrating the mode of action of mechanical, thermomechanical and thermal methods (e.g. blasting, nitriding, induction hardening). Describing plasma aided methods, Laser and electron beam methods as well as ion implantation. Understanding the principles of Lithography. Illustrating the mode of action of chemical conversion layers (phosphatization, chromating), electrochemical conversion layers (anodizing) and CVD/PVD techniques. Understanding the basics of organic coatings (paints and lacquers), self-assembled monolayers, self-organized anodic oxide layers (Nanopores, Nanotubes).
Berechnung von Korrosionsproblemen Quantitatives erfassen des Wirkzusammenhanges von Kinetik und Potential bei Korrosionsreaktionen, Erstellung von Pourbaix-Diagrammen, Bewerten von Fragestellungen der Hochtemperaturoxidation, Beurteilen von Möglichkeiten des Korrosionsschutzes. Quantitative elucidation of the cause-effect relationship between kinetics and potential, Construction of Pourbaix diagrams, Assessment of high-temperature oxidation behaviors of metals and alloys, Evaluation of corrosion-protection approaches

Basics Electrochemistry Die Studierenden

• definieren und beherrschen rechnerisches Anwenden thermodynamischer Grundbegriffe und Modelle (Enthalpie, Entropie, Gibbs-Energie, chemische Gleichgewichte).
  

• vergleichen von Elektrolyten (Wässrige Lösungen, Organische Lösungen, Festphasenelektrolyte.
  

• vergleichen verschiedener Elektrodenarten und deren Elektrodenpotential.
  

• wenden die Nernst-Gleichung an.
  

• definieren elektrochemischer Systeme (Elektrolysezellen, Galvanische Zellen).

• verstehen Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen (elektrochemische Doppelschicht).
  

• können die Zusammenhanges von Reaktionsrate und Stromstärke diskutieren.
  

• bewerten die Kinetik von Elektrodenreaktionen (stofftrans portkontrolliert, ladungsdurchtrittskontrolliert, reaktionskontrolliert).

• können die Butler-Volmer-Gleichung herleiten.
  

• verstehen die theoretischen Grundlagen instrumenteller Techniken und technologischer Anwendungen (Brennstoffzellen, Batteriesysteme, elektrochemische Bauteile und Anwendungen).
  

Defining and operating with fundamental thermodynamic concepts and models (enthalpy, entropy, free energy, chemical equilibrium). Comparing of Electrolytes (aqueous solutions, organic solutions, solid phase electrolytes. Comparing different types of electrodes and their electrode potential. Applying the Nernst equation. Defining electrochemical systems (electrolytic cells and galvanic cells). Elucidating Electrode-solution interfaces (electric double layer). Discussing the relationship between electrochemical reaction rate and current. Assessing electrode kinetics (mass transport control, charge transfer control, reaction control). Deriving the Butler-Volmer equation. Describing the theoretical background of instrumental techniques and technologies (fuel cells, battery systems, electrochemical devices).

Literatur:

Vorbereitende Literatur Wird im Zuge der Lehrveranstaltungen vorgestellt.

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Nanotechnologie (Master of Science)
   (Po-Vers. 2020w | TechFak | Nanotechnologie (Master of Science) | Gesamtkonto | Kernfächer | Korrosion und Oberflächentechnik | Oberflächentechnik und Elektrochemie)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Oberflächentechnik und Elektrochemie (Prüfungsnummer: 62341)

Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet, 10 ECTS

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
Prüfungssprache nach Wahl der Studierenden

Prüfungssprache: Deutsch oder Englisch

Erstablegung: SS 2021, 1. Wdh.: WS 2021/2022

1. Prüfer:

Sannakaisa Virtanen