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Daniel Schultheiß

• For the future usage of hydrogen as an automotive fuel, its on-board storage is crucial. One approach is the storage of liquid hydrogen (LH2, 20 K) in double-walled, vacuum insulated tanks. The introduction of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) as structural material enables a high potential of reducing the weight in comparison to the state-of-the-art stainless steel tanks. The generally high permeability of hydrogen through plastics, however, can lead to long-term degradation of the insulating vacuum. The derived objective of this dissertation was to find and apply an adequate permeation barrier (liner) on CFRP. The investigated liners were either foils adhered on CFRP specimens or coatings deposited on CFRP specimens. The coatings were produced by means of thermal spraying, metal plating or physical vapor deposition (PVD). The materials of the liners included Al, Au, Cu, Ni and Sn as well as stainless steel and diamond-like carbon. The produced liners were tested for theirFor the future usage of hydrogen as an automotive fuel, its on-board storage is crucial. One approach is the storage of liquid hydrogen (LH2, 20 K) in double-walled, vacuum insulated tanks. The introduction of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) as structural material enables a high potential of reducing the weight in comparison to the state-of-the-art stainless steel tanks. The generally high permeability of hydrogen through plastics, however, can lead to long-term degradation of the insulating vacuum. The derived objective of this dissertation was to find and apply an adequate permeation barrier (liner) on CFRP. The investigated liners were either foils adhered on CFRP specimens or coatings deposited on CFRP specimens. The coatings were produced by means of thermal spraying, metal plating or physical vapor deposition (PVD). The materials of the liners included Al, Au, Cu, Ni and Sn as well as stainless steel and diamond-like carbon. The produced liners were tested for their permeation behavior, thermal shock resistance and adherence to the CFRP substrate. Additionally, SEM micrographs were used to characterize and qualify the liners. The foils, although being a good permeation barrier, adhered weakly to the substrate. Furthermore, leak-free joining of foil segments is a challenge still to be solved. The metal plating liners exhibited the best properties. For instance, no permeation could be detected through a 50 µm thick Cu coating within the accuracy of the measuring apparatus. This corresponds to a reduction of the permeation gas flow by more than factor 7400 compared to uncoated CFRP. In addition, the metal platings revealed a high adherence and thermal shock resistance. The coatings produced by means of thermal spraying and PVD did not show a sufficient permeation barrier effect. After having investigated the specimens, a 170 liter CFRP tank was fully coated with 50 µm Cu by means of metal plating.…
• Für den zukünftigen Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff für Kraftfahrzeuge spielt dessen Speicherung an Bord eine entscheidende Rolle. Ein Ansatz ist die Speicherung von flüssigem Wasserstoff (LH2, 20 K) in doppelwandigen, vakuumisolierten Tanks. Die Verwendung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) als Tankstrukturmaterial eröffnet ein hohes Gewichtsreduzierungspotential gegenüber den etablierten Edelstahltanks. Die allgemein hohe Permeabilität von Wasserstoff durch Kunststoffe kann jedoch zu einer langzeitlichen Degradation des isolierenden Vakuums des LH2-Tanks führen. Das daraus abgeleitete Ziel dieser Dissertation war das Finden und Applizieren einer geeigneten Permeationsbarriere (Liner) auf CFK. Die in dieser Arbeit untersuchten Liner wurden entweder als Folien auf CFK-Proben geklebt oder als Beschichtungen auf CFK-Proben abgeschieden. Die verwendeten Beschichtungsverfahren waren thermisches Spritzen, galvanisches Metallisieren und physikalische Dampfabscheidung (PVD).Für den zukünftigen Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff für Kraftfahrzeuge spielt dessen Speicherung an Bord eine entscheidende Rolle. Ein Ansatz ist die Speicherung von flüssigem Wasserstoff (LH2, 20 K) in doppelwandigen, vakuumisolierten Tanks. Die Verwendung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) als Tankstrukturmaterial eröffnet ein hohes Gewichtsreduzierungspotential gegenüber den etablierten Edelstahltanks. Die allgemein hohe Permeabilität von Wasserstoff durch Kunststoffe kann jedoch zu einer langzeitlichen Degradation des isolierenden Vakuums des LH2-Tanks führen. Das daraus abgeleitete Ziel dieser Dissertation war das Finden und Applizieren einer geeigneten Permeationsbarriere (Liner) auf CFK. Die in dieser Arbeit untersuchten Liner wurden entweder als Folien auf CFK-Proben geklebt oder als Beschichtungen auf CFK-Proben abgeschieden. Die verwendeten Beschichtungsverfahren waren thermisches Spritzen, galvanisches Metallisieren und physikalische Dampfabscheidung (PVD). Als Linermaterialien wurden Al, Au, Cu, Ni, Sn, Edelstahl und diamantähnlicher Kohlenstoff eingesetzt. Die hergestellten Liner wurden bezüglich ihres Permeationsverhaltens, der Thermalschockresistenz und der Haftfestigkeit zum CFK-Substrat untersucht. Zusätzlich wurden REM-Aufnahmen zur Charakterisierung und Qualifizierung der Liner angefertigt. Obwohl die Folien-Liner eine sehr gute Permeationssperrwirkung zeigten, waren diese durch eine ungenügende Haftfestigkeit zum Substrat gekennzeichnet. Weiterhin ist das leckagefreie Fügen von Foliensegmenten eine ungelöste Fragestellung. Die galvanischen Beschichtungen wiesen die besten Linereigenschaften auf. Beispielsweise konnte durch 50 µm dicke Cu-Schichten keine Permeation nachgewiesen werden, was einer Reduktion des Permeationsflusses um mindestens Faktor 7400 gegenüber unbeschichtetem CFK entsprach. Ferner zeichneten sich die galvanischen Schichten durch hohe Haftfestigkeit und Thermalschockresistenz aus. Die mittels thermisches Spritzen und PVD hergestellten Beschichtungen zeigten keine ausreichende Permeationssperrwirkung. Nach den Untersuchungen an den Proben, wurde ein 170 Liter CFK-Tank vollständig und haftfest mit einem 50 µm dicken Kupferliner galvanisch beschichtet.…