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

Lehrveranstaltungen:

• • Basics Electrochemistry I (WS 2021/2022)
    (Vorlesung, 2 SWS, Alexander Tesler, Mi, 12:15 - 13:45, 0.85)
  • Advanced Corrosion Science (WS 2021/2022)
    (Vorlesung, 2 SWS, Michael Strebl et al., Di, 8:30 - 10:00, 0.85; Terminvereinbarung in Vorbesprechung Master LKO WS 2021/22; Vorbesprechung: 19.10.2021, 9:00 - 10:00 Uhr, Zoom-Meeting)
  • Berechnung von Korrosionsproblemen (WS 2021/2022)
    (Übung, 2 SWS, Michael Strebl et al., Fr, 12:15 - 13:45, 0.85; Vorbesprechung: 19.10.2021, 9:00 - 10:00 Uhr, Zoom-Meeting)
  • Surface Modification techniques (SS 2022)
    (Vorlesung, 2 SWS, Michael Strebl et al., Di, 16:00 - 17:30, Raum n.V.; From 10th of May on the lecture will regularly take place Tuesdays 16:00-17:30 (room 2.65 Martensstr. 7))

Empfohlene Voraussetzungen:

Immatrikulation im MA-Studium

Inhalt:

Advanced Corrosion Science

Recap of fundamental background in electrochemistry and corrosion

Introduction to advanced methods in corrosion science:
• Electrochemical methods (Polarization curve, EIS, EC noise)
• Local techniques (SVET, SKP, SIET, LEIS)
• Non electrochemical techniques: Respirometry, mass loss, solution analysis, resitance method
• Surface analysis (SEM, TEM, EDX, XPS, Auger, ToF SIMS, GDOES, atom probe analysis)

Discussion of current issues in corrosion science:
• Biodegradable metals
• Passive films und localized corrosion
• Atmospheric corrosion
• Corrosion in nuclear waste repositories
• Corrosion of advanced materials: AM, BMG, high entropy alloys und ultrafine-grained materials
• Drinking water corrosion, microbially induced corrosion, cathodic protection
• Inhibitors und smart coatings
• Mg und Al corrosion
• Corrosion Modelling, DFT
• (Corrosion in) Electrochemical energy storage and conversion

Corrosion failure case studies and analysis: Discussion of the conditions and mechanisms that led to corrosion failure based on observations and experimental evidence and derivation of a solution to the problem.

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:

Advanced Corrosion Science

The students are able to:

• Identify, distinguish, and explain corrosion mechanism and different forms of corrosion.
  

• Illustrate and explain electrochemical, local, non-electrochemical and surface analysis methods that are used in corrosion science.
  

• Interpret results of the characterisation methods described above
  

• Explain the different concepts of smart coatings and self-healing coatings including triggers and release mechanisms of inhibitors.
  

• Present the details that play a role atmospheric corrosion processes like salts, relative humidity, electrolyte film thickness, time of wetness, influence of gases, wet dry cycling and corrosion product formation.
  

• Explain different test methods for atmospheric corrosion, like lab exposure, accelerated corrosion tests and field exposure tests.
  

• Discuss special features in the corrosion mechanisms of Mg and Al alloys (anomalous H2 evolution).
  

• Review different mechanisms of localized corrosion and explain the significance of pit initiation and pit growth, critical pitting potential, critical pitting temperature and repassivation in localized corrosion.
  

• Explain cathodic and anodic paint disbonding or delamination and how it can be studied using SKP.
  

• Assess findings of scientific investigations of corrosion failure, determine corrosion mechanisms that lead to the corrosion issue and develop a concept for solving the corrosion problem.
  

• Explain mechanisms of different types of corrosion inhibitors.
  

• Summarize corrosion properties of advanced materials like high entropy alloys, bulk metallic glasses, additive manufactured materials or ultrafine-grained materials.
  

• Describe corrosion related aspects of nuclear waste storage and the influence of radiation on corrosion.
  

• Compare different types of metals in their applicability as a biodegradable metal and explain surface treatments to control the degradation behavior.
  

• Understand the complexity of simulated body fluids and possible discrepancy between in vitro and in vivo experiments.
  

• Describe mechanisms of microbially induced corrosion, dezincification.
  

• Explain cathodic protection strategies by sacrificial anodes and impressed current cathodic protection.

Surface Modification Techniques
Die Studierenden

• können die Grundlagen von Korrosionsmechanismen und -arten wiedergeben.
  

• lernen verschiedene Methoden der Oberflächenvorbehandlung kennen.
  

• können abschätzen, welche Oberflächenvorbehandlung für die Entfernung verschiedener Verunreinigungen eingesetzt werden können.
  

• können den zugrundeliegenden Mechanismus einer Konversionsbeschichtung am Beispiel der Phosphatierung und Chromatierung beschreiben.
  

• erklären die Mechanismen von elektrochemischer Abscheidung und elektrophoretischer Beschichtung
  

• erkennen den Zusammenhang verschiedener Schritte und Parameter der Oberflächenvorbereitung auf die finale Oberflächenqualität einer Beschichtung.
  

• lernen die Bestandteile und Wirkungsweise einer Reinigungslösung kennen
  

• Die Studierenden werden auf Besonderheiten hinsichtlich des Umweltschutzes bei der Oberflächentechnik sensibilisiert.

• erklären die verschiedene Verfahren und Beschichtungsmechanismen von PVD und CVD Prozessen.
  

• Erklären von Verfahren des thermischen Spritzens und von Sol-Gel Beschichtungen
  

• können chemische und elektrochemische Konversionsschichten (Phosphatierung, Chromierung, Anodisierung)
  

• Erläutern Besonderheiten verschiedener organischer Beschichtungen (Lacke).
  

• Erklären selbstorganisierender Monolagen und Konzepte zur Erzeugung superhydrophober Oberflächen
  

• Beschreiben den Mechanismus der Ausbildung von selbstorganisierenden anodische Oxidschichten (Nanoporen und Nanoröhren).
  

Illustrating the mode of action of chemical mechanical pretreatment. Describing plasma aided methods, Laser and electron beam methods as well as ion implantation. Illustrating the mode of action of chemical conversion layers (phosphatization, chromating), electrodeposition, electrophoresis, 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 sind in der Lage:

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

• Den Unterschied und die Einflüsse auf Diffusions- und Aktivierungskontrolle zu erklären
  

• Korrosionsvorgänge anhand schematischer Stromdichte-Potential Kurven zu veranschaulichen
  

• Pourbaix-Diagramme zu erstellen zu verstehen und anzuwenden.
  

• die Nernst Gleichung anzuwenden und leiten sie her.
  

• Fragestellungen der Hochtemperaturoxidation zu bewerten.
  

• Möglichkeiten des Korrosionsschutzes zu beurteilen.
  

Quantitative elucidation of the cause-effect relationship between kinetics and potential, Construction of Pourbaix diagrams, applying nernst equation, 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 2022, 1. Wdh.: WS 2022/2023

1. Prüfer:

Sannakaisa Virtanen