Thermographische Phosphorschichten auf Basis von dotiertem Al 2 0 3 und dotiertem Yttrium stabilisiertem ZrO 2

Duisburg, Essen (2010), XVII, 158 Seiten
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Verbrennung und Gasdynamik
Atakan, Burak (Doktorvater, Betreuerin)
Andreas Dreizler (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss. 2010
Abstract:
Thermographische Phosphore werden seit einiger Zeit für die Nutzung als ein neues Temperaturmessverfahren untersucht. Diese Messmethode kann dort angewendet werden, wo konventionelle Messmethoden versagen. Der große Vorteil zu nicht-invasiven Messmethoden, die die Schwarzkörperstrahlung eines Objekts messen, ist die Unabhängigkeit von der Emissivität. Die thermographischen Phosphorschichten wurden in dieser Arbeit mittels CVD-Verfahren und Sol-Gel-Technik aufgebracht. Da der Großteil der zu messenden Objekte sowieso schon beschichtet ist, sei es mit einer Deckschicht zum Korrosionsschutz oder z.B. einer Wärmedämmschicht, werden diese Schichten bei der Herstellung mit den Aktivatorionen, die für die Phosphoreszenz verantwortlich sind, dotiert. Wird nun die Schicht mit einer Lichtquelle zum Phosphoreszieren angeregt, kann entweder eine temperaturabhängige Verschiebung der Emissionswellenlänge oder eine temperaturabhängige Änderung der Phosphoreszenzintensität oder -lebensdauer gemessen werden. So können Multifunktionsschichten hergestellt werden, die neben ihrer primären Aufgabe zusätzliche Temperaturmessungen ermöglichen. In dieser Arbeit konnten mit beiden Beschichtungsverfahren dotierte Aluminiumoxid- und Yttrium stabilisierte Zirkonoxidschichten hergestellt und untersucht werden. Mit Chrom, Dysprosium, Erbium, Europium, Holmium, Terbium und Thulium konnten Aktivatorelemente gefunden werden, die bei verschiedenen Wellenlängen phosphoreszieren. Dies hat den Vorteil, dass je weiter blauverschoben der Phosphor emittiert, desto weniger wird er von der Schwarzkörperstrahlung des Messobjekts und -umgebung überlagert. Hier bieten sich vor allem Tm3+:Al2O3 und Dy3+:Al2O3 an, da sie im blauen Spektralbereich phosphoreszieren. Aber auch Tb3+:Al2O3, Er3+:YSZ und Ho3+:YSZ, die im grünen phosphoreszieren, können verwendet werden. Für die Anwendung in leuchtenden Medien muss der Phosphor so gewählt werden, dass das Phosphoreszenzsignal möglichst nicht durch andere Strahlung überlagert und somit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis heruntergesetzt wird. Mit Eu3+:Al2O3 und Eu3+:YSZ, die bei ähnlichen Wellenlängen emittieren wird der orangefarbene und mit Cr3+:Al2O3 der rote Spektralbereich abgedeckt, so dass die untersuchten Aktivatorelemente den sichtbaren Bereich abdecken. Für Temperaturmessungen ist die Lebensdauer der Phosphoreszenz von großer Bedeutung, da sie unabhängig von äußeren Einflussfaktoren wie der Anregungsintensität ist. Die untersuchten Phosphore decken einen großen Bereich bis 1450 K ab. Cr3+:Al2O3 und Eu3+:Al2O3 können im niedrigen Temperaturbereich bis 950 K eingesetzt werden, Tb3+:Al2O3, Dy3+:Al2O3, Tm3+:Al2O3 und auch Eu3+:Al2O3 dagegen bei Temperaturen ab ca. 1050 K. Allerdings ist zwischen 950 und 1050 K eine deutliche Lücke zu erkennen. Neben den einzeldotierten Phosphorschichten konnten auch Aktivatormaterialien, wie am Beispiel von Thulium und Chrom sowie Dysprosium und Chrom gezeigt, beim Herstellungsprozess kombiniert werden und so der anwendbare Temperaturbereich einer Schicht erweitert werden. Außerdem wurden die Auswirkungen von verschiedenen Aktivatorkonzentrationen auf die Phosphoreszenzintensität und -lebensdauer untersucht, um so den optimalen Konzentrationsbereich für eine möglichst genaue Messung und/oder gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Für dotierte Yttrium stabilisierte ZrO2-Schichten konnte gezeigt werden, dass die Phosphoreszenzlebensdauer auch schon bei moderaten Temperaturen unterhalb von 1300 K im Rahmen des Messfehlers konstant gehalten werden kann, ohne sie auf eine Temperatur weit über 1600 K zu heizen. Nachdem eine Vielzahl von unterschiedlichen Phosphormaterialien untersucht wurde, muss deren Anwendung in Messumgebungen, in denen andere Messmethoden versagen, demonstriert werden. Beispielhaft wurde dieses für Schichten von Cr3+:Al2O3 in einem Plasmar