Ferroelastiske oksid-keramer - Institutt for materialteknologi - NTNU

NTNUNorges teknisk-naturvitenskapeligeuniversitetFakultet for naturvitenskapog teknologiInstitutt for materialteknologiForslag til prosjektoppgaver i forbindelse medTMT4725 MATERIALTEKNOLOGI, FORDYPNINGSEMNE-Høsten 2006HOVEDPROFILER:1 Prosessmetallurgi og elektrolyse2 Keramisk material vitenskap og funksjonelle materialer3 Korrosjon og overflateteknologi4 Elektrokjemisk energiteknologi5 Materialutvikling og videreforedling6 Materialvalg og design (NB: ingen oppgaver er tatt med her)Rev. 1 1

1 Prosessmetallurgi og elektrolyseFORSLAG TIL PROSJEKTOPPGAVER INNEN PROSESSMETALLURGI (1.1 –1.6):Oppgave 1.1Faglærer:Medveileder:Elektrisk ledningsevne i karbonmaterialerProfessor Merete TangstadStipendiat Per Andres EidemDen elektriske energien utvikles i lag av karbonmaterialer i produksjon av bla Mn- og Crlegeringer.Den totale energiutviklingen og energifordelingen vil derfor bestemmes av denelektriske ledningsevnen i karbonmaterialene. I tidligere hovedoppgaver er det utviklet enapparatur som måler elektrisk ledningsevne i bulk materialer. Prosjektoppgavens mål vilvære å bestemme elektrisk ledningsevne på industrielle materialer. Det vil også utføres andremålinger for å bestemme hvilke egenskaper som påvirker elektrisk ledningsevne. Dette kanbla være mikrostruktur analyse og krystalliseringsgrad (amorfitet). Samarbeid med andreavdelinger på NTNU og norsk industri må påregnes. (Sommerjobb innen samme tema tilbys.)Oppgave 1.2Faglærer:Medveileder:Termodynamikk i SoG-Si (Solar Grade Si)Professor Merete TangstadStipendiat Halvor DalakerForurensningsnivået i Si har stor effekt på kvaliteten til solcellen, selv forurensninger i ppmnivå vil redusere kvaliteten på solcellen dramatisk. Ved utvikling av nytt råmateriale tilsolcelle produksjonen er det viktig å vite løseligheten til forurensningene. Prosjektoppgavensmålsetning er å gjøre løselighetsmålinger ved høy temperatur. Det vil jobbes tett mot NTNUog SINTEF prosjekter innen samme emne.Oppgave 1.3Faglærer:Medveileder:Råstoff karakterisering innen manganproduksjonProfessor Merete TangstadStein Wasbø (Eramet)Manganmalmer vil ha forskjellig kjemisk sammensetning, så vel som forskjelligmikrostruktur. Mens effekten av den kjemiske sammensetningen er vel dokumentert, erfremdeles mikrostrukturens effekt på prosessen lite kjent. Gjennom smelteforsøk ogmikrostruktur analyse vil prosjektoppgaven fokusere på hvordan de forskjellige malmene viloppføre seg i en industriell ovn.***************************************************************************Ved Institutt for materialteknologi er det en betydelig interesse for titan ”fra A til Å” ibetydningen egenskaper som er innebygd i råmaterialkilden (f. eks. Tellnes ilmenitt fraTITANIA AS i Hauge i Dalane) til det salgbare produkt (metall eller pigment) som kanframstilles ved forskjellige prosessruter, og en meget viktig slik rute går via mellomproduktetslagg som produseres i Tyssedal av TTI (Tinfos Titanium and Iron). Nedenfor er vist toRev. 1 2

eksempler på aktuelle oppgaver, men dersom noen velger oppgaver innen dette feltet ertanken at detaljerte oppgavetekster utarbeides i samarbeid med de aktuelle kandidater ogrepresentanter fra de nevnte industribedriftene. Professor Merete Tangstad er også aktuell somveileder innen dette feltetOppgave 1.4Dispersoids In Steel value added Direct reduced Iron(DISvaDRI)Faglærer:Professor Leiv KolbeinsenMedveiledere: Seniorforsker Casper van der Eijk (Sintef MK) &Forskningsleder Gabriella Tranell (Sintef MK)Oppgaven går ut på å produsere titanoksidholdige jernpellets basert på reduksjon i H 2 /COgassatmosfære av ilmenitt pellets. Dette vil gi "svampjern" (DRI) som vil inneholde oksidiskekim for dannelse av dispersoider ("nyttige "inklusjoner”) ved påfølgende nedsmelting iflytende stål. Mikroskopiundersøkelser av fordelingen av oksider og metall innen den enkeltepellet og pelletens korn vil være sentralt i oppgaven.Oppgave 1.5Faglærer:Medveileder:Sulfidisering og luting av titanslagg i fast formProfessor Leiv KolbeinsenProfessor emer. Terkel RosenqvistTitanslagg basert på Tellnes ilmenitt inneholder for mye Mg til at denne slaggen kanviderebehandles i kloridprosessen for pigmentproduksjon. En mulig metode for å fjerne Mgfra slaggen baseres på sulfidiserende behandling av slaggen, og i den såkalte SINTEFprosessenble dette forsøkt utført ved at smeltet slagg ble blandet med flytende natriumsulfid,noe som viste seg vanskelig å gjennomføre i praksis. En alternativ metode er å behandlestørknet og knust slagg med koks og svoveldamp, og orienterende forsøk på slik behandlinghar vært gjort med lovende resultat (K. Borowiec; Scand. J. Met. 20 (1991) 198-204).Hensikten med denne oppgaven er å studere denne muligheten nærmere, og dessutenundersøke produktets lutbarhet.Oppgave 1.6Faglærer:Medveileder:Likevektsforhold metall/slagg ved smelting av ilmenittProfessor Leiv KolbeinsenProfessor emer. Terkel Rosenqvist, Forskningsleder GabriellaTranell (Sintef MK) & Forsker Sean Gaal (Sintef MK)Hvordan sammensetning og av metall og slagg i likevekt varierer med sammensetning(oksygenpotensial) har inntil for kort tid siden vært omtrent umulig å fastlegge eksperimenteltpå grunn av at ingen kjente materialer kan benyttes som beholder (digel) for smelting av deaktuelle materialene. Dette problemet er løst ved å benytte en induksjonsovn utstyrt medvannkjølt kobberdigel slik at smelten holdes i en såkalt fryseforing av samme sammensetningsom materialet selv. Arbeid pågår for å bestemme denne sammenhengen over en bredvariasjon i sammensetning innen det rene systemet Ti-Fe-O, og det er aktuelt å studereeffekten av tilsatser av f. eks. Ca, Mg, Si etc. i dette systemet. Det er også aktuelt å bestemmeRev. 1 3

smeltetemperatur for slaggene som dannes og videre er mikroskopering, mikrosonde- ogrøntgendiffraksjonsundersøkelser av slagg aktuelle teknikker i denne sammenhengen.FORSLAG TIL PROSJEKTOPPGAVER INNENFOR ELEKTROLYSE (1.7 – 1.20)Oppgave 1.7Faglærer:Elektrolytisk utfelling av jern fra kloridsmelteProfessor Geir Martin HaarbergBakgrunnJern er det desidert viktigste metallet når det gjelder produksjon og bruk. Dagensframstillingsmetode medvirker til enorme utslipp av CO2. Elektrolyse i saltsmelte med inertanode som utvikler oksygen er et alternativ som undersøkes i et EU-prosjekt.GjennomføringElektrokjemiske studier av katodereaksjonen ved jernutfelling i fluorid/kloridsmelte.Bestemmelse av strømutbytte for jern ved elektrolyse i fluorid/kloridsmelte. Framstilling ogtesting av inerte anoder for oksygenutvikling. Karakterisering av utfelt jern.Oppgave 1.8Faglærer:Medveileder:Forurensninger under aluminiumframstillingProfessor Geir Martin HaarbergStipendiat Martin Keppert, Stipendiat Jana HajasovaBakgrunnForurensninger i elektrolytten under Al-framstilling har betydning for gjennomføring avelektrolysen; spesielt strømutbytte og metallkvalitet kan påvirkes.GjennomføringEksperimentelle studier av elektrokjemisk oppførsel av utvalgte forurensninger (fosfor,svovel, jern). Bestemme effekten av forurensninger på strømutbyttet for aluminium.Oppgave 1.9Faglærer:Medveileder:Aluminiumelektrolyse - industrioppgaverProfessor Geir Martin HaarbergTerje Johansen, SØRALBakgrunnAluminiumindustrien arbeider for å optimalisere gjennomføringen av elektrolysen. For åkunne lykkes, er det nødvendig å foreta systematiske studier i industrielle celler og labforsøkunder kontrollerte forhold.GjennomføringDersom det er interesse for industrioppgaver, vil relevante oppgaveforslag bli utarbeidetsammen med Sør-Norge Aluminium (SØRAL), Husnes. Det vil bli utført kontrollertelabforsøk ved NTNU.Rev. 1 4

Oppgave 1.10Faglærer:Titanframstilling ved elektrolyse i saltsmelteProfessor Geir Martin HaarbergBakgrunnEt nystartet firma, Norsk Titanium (NTi), har som mål å bli verdens største produsent av titan.Dette målet skal realiseres ved i første omgang å starte et omfattende forsknings- ogutviklingsprogram. Titan skal i den nye prosessen produseres ved hjelp av elektrolyse isaltsmelte, og det vil bli benyttet inert oksygenutviklende anode.GjennomføringElektrokjemiske studier av oppløste titanforbindelser i kloridsmelte. Elektrolyseforsøk underkontrollerte betingelser for å bestemme strømutbytte og metallkvalitet. Framstilling og testingav inerte anoder. Karakterisering av produsert titan.Oppgave 1.11Faglærer:Medveileder:Solcellesilisium ved elektrolytisk raffinering i saltsmelteProfessor Geir Martin HaarbergPost doc.. Ole Edvard KongsteinBakgrunnMarkedet for solcellesilisium er i ferd med å kollapse pga mangel på silisium avsolcellekvalitet. Det arbeides derfor med å studere muligheter for å utvikle og etablere ennalternativ prosess. I et nystartet EU-prosjekt skal vi studere muligheter for å raffineremetallurgisk Si til solcellekvalitet ved hjelp av elektrolytisk raffinering i saltsmelte.GjennomføringElektrokjemiske studier av oppløste silisiumforbindelser i kloridsmelte. Elektrolyseforsøkunder kontrollerte betingelser med metallurgisk silisium som anode. Karakterisering, analyserog testing av produsert silisium.Oppgave 1.12Faglærer:Medveileder:Oksygenutvikling i vandig løsning - rehabilitering av LakeBiwaProfessor Geir Martin HaarbergPost doc.. Ole Edvard KongsteinBakgrunnLake Biwa er Japans største og eldste innsjø. På grunn av forurensning fra omkringliggendeindustri og bebyggelse, har deler av innsjøen blitt svært oksygenfattig. Det er nylig blittetablert et forskningssamarbeid mellom Doshisha University, Kyoto University og Lake BiwaEnvironmental Research Institute i Japan og NTNU. Målet er å utvikle en metode for åtilføre oksygen til Lake Biwa ved hjelp av elektrolyse nede i innsjøen.GjennomføringRev. 1 5

Kinetikk for oksygenutvikling vil bli studert ved hjelp av elektrokjemiske målemetoder. Ulikeanodematerialer vil bli testet. Det vil være aktuelt å reise til Japan for å diskutere prosjektet.Oppgave 1.13Supervisors:Long Term Creep of Carbon Cathode MaterialsProfessor Trygve Foosnæs and Technician May Grete SætranEarlier work carried out in our section has investigated the creep of carbon cathode materialsunder various times of electrolysis, and extensive mathematical modeling using the data is inprogress. This work is important in connection with the start-up and early life (~ 1 year) of analuminium reduction cell.Experimental data that have been measured are obtained during short time experiments, andwe want to measure creep of various cathode materials at considerably extended electrolysistimes.Oppgave 1.14 Penetrering av Natrium i Karbonkatoder underAluminiumelektrolyseFaglærere:Medveileder:Professor Trygve Foosnæs, Professor emer. Harald A. ØyeIng. May Grete SætranNatrium absorberes i karbon under aluminiumelektrolyse. Dette fører til ekspansjon ogspenninger i karbonmaterialet. Det er allerede gjort forsøk med natriumabsorpsjon direkte frafluoridelektrolytten. I en virkelig aluminiumcelle vil imidlertid katoden være dekket av et 20– 30 cm lag av flytende aluminium. Disse forholdene vil bli forsøkt simulert i enlaboratoriecelle, og det skal studeres i hvilken grad aluminium fører til nedsattpenetreringshastighet.Oppgave 1.15Faglærer:Medveileder(e):Anodeavvik i aluminiumelektrolyseProfessor Trygve Foosnæspersonell fra aluminiumindustrienAnodeavvik i aluminiumelektrolysen betyr økte driftskostnader for bedriften, men også øktbelastning på prosessoperatører og en celledrift som langt fra er optimal. Det er visueltobservert en sammenheng mellom anodeoverflatens utseende (grov, porøs struktur indikereravvikende kvalitet) og anodens oppførsel i cellen, spesielt med hensyn til soting ogpiggdannelse. Anodesettingsmønster, settehøyde og andre driftsparametre er også viktige.En skal bruke multivariate teknikker til analyse, og utvikle en metode for å karakteriserestrukturen i anodeoverflaten.Oppgaven starter med sommerjobb i industrien kommende sommer, og fortsetter somprosjektarbeid høsten 2006.Oppgave 1.16Variasjon i Badmengde i Aluminium ElektrolysecellerRev. 1 6

Faglærer:Medveileder(e):Professor Trygve Foosnæspersonell fra aluminiumindustrienVed å bruke NaCl som tracer skal det utvikles en modell som viser hvordan badmengden i enelektrolysecelle varierer som funksjon av driftsparametre som for eksempel badtemperatur,overtemperatur og målt badhøyde. Modellen skal brukes til prediksjon av badmengde ogmengde AlF 3 i cellen, og vil bidra til stabilisering av celledriften.Oppgaven starter med sommerjobb i industrien kommende sommer, og fortsetter somprosjektarbeid høsten 2006.Oppgave 1.17Faglærer:Medveileder(e):Innstøping av Anoder (og katoder)Professor Trygve Foosnæspersonell fra aluminiumindustrienNiplene (metallet som leder strøm) blir støpt fast til anoden ved hjelp av støpejern. Etbetydelig spenningsfall (bortkastet energi) opptrer ofte mellom nippelen og karbonet i anoden.Oppgaven går ut på å studere innstøpingsprosessen for anoder i aluminiumelektrolyse, og iførste rekke finne en støpejernskvalitet som gir lavest mulig tap. Blant annet brukes i dagfosfor for justering av flyt i støpejernet, noe en i industrien ønsker å unngå. Senere skaldesign av nippelhull og eventuelt katodebarrer studeres for å oppnå lavest muligovergangsspenning.Oppgaven starter med sommerjobb i industrien kommende sommer, og fortsetter somprosjektarbeid høsten 2006.Oppgave 1.18Faglærere:Ramanspektroskopi og KatodematerialerProfessor Trygve Foosnæs, Professor emer. Harald A. ØyeInnledende forsøk med bruk av Ramanspektroskopi til karakterisering av struktur i karbonkatodematerialer har vært utført med lovende resultater. Disse målingene ønskes videreført isamarbeid med Danmarks Tekniske Højskole.Oppgave 1.19Faglærer:Medveileder(e):Fullskala Elektrolyseforsøk med Anoder Tilsatt InhibitorProfessor Trygve Foosnæspersonell fra aluminiumindustrienDet skal utføres driftsforsøk med fullskala anoder tilsatt inhibitor for å redusereanodereaktiviteten. Basert på data fra tidligere laboratoriemålinger må en finne riktiginhibitornivå for tilsats. Anodekvaliteten må bestemmes gjennom laboratorieforsøk.Anodeforbruk samt øvrige driftsdata skal registreres og rapporteres.Rev. 1 7

Oppgaven starter med sommerjobb i industrien kommende sommer, og fortsetter somprosjektarbeid høsten 2006.Oppgave 1.20Faglærer:Medveileder(e):Bestemmelse av Metallkrumning i ElektrolysecellerProfessor Trygve Foosnæspersonell fra aluminiumindustrienGrad av krumning av metalloverflaten synes å være viktig både med hensyn til å holdematehullene åpne og for å oppnå lavt spesifikt energiforbruk. Metallkrumningen skal måles iboosterceller og i normalceller. Oppgaven kan videreutvikles til å omfattematehullsproblematikk relatert til blussfrekvens.Oppgaven starter med sommerjobb i industrien kommende sommer, og fortsetter somprosjektarbeid høsten 2006.Rev. 1 8

2 Keramisk material vitenskap og funksjonelle materialerOppgave 2.1Faglærer:Medveiledere:Studier av ferroelastiske oksidkeramer ved bruk av EBSDProfessor Mari-Ann EinarsrudProfessor Jarle Hjelen og Stipendiat Morten KarlsenKeramiske materialer er vanligvis sprø og viser en elastisk oppførsel i spenning-tøyning. Enundergruppe av keramiske materialer derimot, kalt ferroelastiske, viser hystereseoppførsel ispenning-tøyning analogt til det vi observerer i polarisasjon-elektrisk felt for ferroelektrika ogmagnetisering-magnetisk felt for ferromagneter. Den ferroelastiske oppførselen skyldes atdisse materialene har en domenestruktur innen hvert korn og der domenene kan skifteorientering ved mekanisk belastning. Denne type materialer har derfor interessanteanvendelser ikke bare som strukturelle materialer der materialenes bruddseighet kan økesbetraktelig, men også som funksjonelle materialer innen for eksempel elektronikk. Vedinstituttet har vi en stor aktivitet for studier av ferroelastiske materialer. EBSD er enveletablert metode ved instituttet for studier av flere typer materialer, men ferroelastiskematerialer har så langt ikke blitt studert. EBSD viser forskjellig diffraksjonsmønster forkorn/domener med forskjellig orientering og er derfor en velegnet metode for å studerekornstørrelse og domenestørrelse/orientering. Denne oppgaven går ut på å benytte EBSD forstudier av utvalgte ferroelastiske materialer (LaCoO 3 , LaAlO 3 , LaNbO 4 , etc) for å se påkorn/domenestrukturen samt bestemme begrensninger/muligheter med EBSD for denne typestudier. Materialer med to forskjellige kornstørrelser vil bli studert. Videre vil endringer idomenestrukturen kunne studeres in-situ ved at materialet utsettes for en mekanisk spenningunder selve analysen.Oppgave 2.2Faglærer:Medveiledere:Syntese av nanostrukturerte materialerProfessor Mari-Ann EinarsrudProfessor Tor Grande og Førsteamanuensis Kjell OveKongshaugUtvikling av nye synteseruter for å lage nanostrukturerte materialer er et stadig økendeforskningsområde både på grunn av slike materialers fundamentale interesse, men også pågrunn av deres mange teknologiske anvendelser. Studier av nanopartikler for eksempel erspesielt interessant fordi fysikalske og kjemiske egenskaper til slike partikler er avhengig avderes størrelse. Slike partikler benyttes for eksempel som magnetiske largingsmedier for data,innen medisin, etc. For en kommersiell anvendelse av nanostrukturerte materialer slik somnanopartikler må det utvikles synteseruter for stor skala produksjon, da de flesteproduksjonsmetodene utviklet så langt kan kun små mengder lages (< 1 g). I denne oppgavaskal vi se på metoder for å framstille nanopartikler av utvalgte oksidmaterialer.Nanopartiklene framstilles ved våtkjemisk syntese der vi starter med en løsning av deelementene som skal bygge opp materialet. Partiklene framstilles så ved en videreprosessering av denne løsningen, for eksempel termisk dekomponering, hydrotermal syntese,gelering, etc. De framstilte nanopartiklene vil bli karakterisert ved bruk av røntgendiffraksjon,elektronmikroskopi, lysspredning og AFM. Stipendiater vil bli trukket inn i veiledningen.Rev. 1 9

Oppgave 2.3Faglærer:Medveiledere:Høy temperatur røntgen diffraksjon av multiferroiskBiFeO 3Professor Tor GrandeProfessor Mari-Ann Einarsrud, Stipendiat Sverre M. SelbachFerroelektriske oksider er i hovedsak basert på PbTi 1-x Zr x O 3 . Materialet BiFeO 3 er også etferroelektrisk materiale, men i tillegg har også BiFeO 3 interessante ferromagnetiskeegenskaper og BiFeO 3 er såkalt multiferroisk. Vi har nylig startet opp et prosjekt som tarutgangspunkt i BiFeO 3 materialer, og vi skal undersøke om de funksjonelle endringene kanendres ved kjemisk substitusjon av Bi/Fe og av fysisk størrelse, dvs om de ferroiskeegenskapene påvirkes av at krystallenes reduseres ned mot nanometer i størrelse. (”finite sizeeffect”). I denne oppgaven vil noen få utvalgte BiFeO 3 -materialer syntetiseres ved fast stoffmetoden og en sol-gel metode som er nylig utviklet av oss. Karakterisering av materialene vili hovedsak bestå i kalorimetri (DSC) samt høy temperatur røntgen diffraksjon. Det vill blispesielt lagt vekt på diffraksjon og et helt nytt røntgen diffraktometer installert høsten 2005vil bli benyttet.Oppgave 2.4Faglærer:Medveiledere:Hydrogen permeable membranerProfessor Tor GrandePost doc. Fride Vullum, Professor Mari-Ann Einarsrud,Førsteamanuensis Kjell Wiik.Separasjon av CO 2 ved forbrenning av naturgass ved produksjon av elektrisk kraft har blitt etmeget viktig forskningsfelt både i Norge og internasjonalt. Membraner spiller en nøkkelrollefor separasjon av gasser, og membraner som er permeable for hydrogen er spesielt attraktivtfor separasjon av CO 2 fra H 2 . Slike membraner er også interessant med tanke på å produserehydrogen fra naturgass. Flere av de mest attraktive teknologiene for CO 2 separasjon iforbindelse med gasskraftverk er basert på hydrogen eller oksygen permeable membraner.Hydrogen permeable membraner kan være et metall hvor hydrogen er løselig, f. ekspalladium. Slike metaller er svært dyre og en ønsker å erstatte disse med keramiskematerialer, og det er flere forskningsmiljø rundt om kring i verden som arbeider hardt med åutvikle hydrogen permeable keramiske membraner. I denne oppgaven skal en arbeide med enkeramisk materiale basert på CeNbO 4+δ . Vi har nylig vært med på å utvikle oksidiskeprotonledere basert på et lignende materiale LaNbO 4 . Ved å endre sjelden jordartsmetall kanen endre den elektriske ledningsevnen. Materialer som både kan lede protoner og elektronervil i prinsippet være permeabel for hydrogen. I denne oppgaven vil en framstille tynnemembraner på en porøs bærer ved hjelp av keramisk teknologi. Hydrogen permeabiliteten vilbli målt ved hjelp av en egen apparatur som kan måle fluks igjennom membranen.Oppgave 2.5 En undersøkelse av struktur og oksygen transportegenskaper til Sr substituert La 2 NiO 4+Faglærer:MedveiledereFørsteamanuensis Kjell WiikProfessor Tor Grande, Post doc.. Magnus ThomassenRev. 1 10

Oksider som utviser både oksygenioneledningsevne og elektronisk ledningsevne (blandetledningsevne) ved høye temperaturer har stor interesse for en rekke potensielle anvendelser,som f.eks. elektroder i fastoksid brenselceller (SOFC), oksygensensorer eller som membranerfor separasjon av oksygen fra luft. En rekke av de oksidene som har vært i fokus så langt ertypisk forbindelser med såkalt perovskitt relatert struktur hvor selveoksygenioneledningsevnen skyldes en forholdsvis høy konsentrasjon av oksygenvakanser,mens den elektroniske ledningsevnen er knyttet til et overgangsmetall.I dette prosjektet skal vi undersøke oksygentransport egenskapene til en annen type materialerhvor selve oksygen transporten hovedsakelig skjer via interstitielle plasser i strukturen.Støkiometrien til forbindelsen kan formelt angis som La 2 NiO 4+ , hvor r et mål på fraksjoninterstitielle plasser som er besatt med oksygen. Forbindelsen er en aktuell elektrode kandidat(katode) til bruk i SOFC i kombinasjon med elektrolytter som enten er rene protonledere ellerditto oksygenionledere. Forbindelsen kan substitueres med en rekke ulike elementer på hhv.La-plass eller Ni-plass og avhengig av hvilket element som substitueres kan en rekkeegenskaper til forbindelsen endres betydelig. Typisk er vi ute etter å påvirke egenskaper somstruktur, stabilitet, termisk ekspansjon, kompatibilitet og ikke minst funksjonelle egenskapersom ioneledningsevne (proton eller oksygen) og elektronisk ledningsevne (elektroner og/ellerhull).Bl.a. med utgangspunkt i mulig anvendelse av La 2 NiO 4+ til energirelaterte applikasjoner erdet stor interesse knyttet til hvordan substitusjon av Sr på La-plass (La 2-x Sr x NiO 4+ ) påvirkerbåde struktur og oksygentransport egenskapene. Generelt er transportegenskapene til”interstitielle oksygenledere” lite kjent, slik at dette fenomenet også har en betydeligakademisk interesse ved siden av det rent teknologiske.Strukturstudiene vil hovedsakelig omfatte røntgendiffraksjon på pulvere; instituttet harfasiliteter som muliggjør studier både ved høye temperaturer og kontrollerte atmosfærer.Transportegenskapene vil bli målt med metoder etablert ved instituttet, primært basert påpermeasjon gjennom tynne membraner samt metoder basert på variasjon i elektriskeegenskaper med partialtrykk oksygen.Oppgave 2.6Faglærer:Funksjonelle nanokompositter fra koordinasjonspolymereFørsteamanuensis Kjell Ove KongshaugKoordinasjonspolymere består av monomere av metaller eller metalloksider og rigideorganiske molekyler som danner krystallinske polymere ved koordinasjonsbindinger.Materialene kan være nanoporøse med kanaler og hulrom med en størrelsesorden på opptil 3nm. Man har mulighet for å deponere organiske molekyler eller metall-organiske komplekserinne i disse kanalene og hulrommene. Molekylene og kompleksene kan ha funksjonelleoptiske, elektroniske eller magnetiske egenskaper slik at man får dannet funksjonellenanokompositter. Fordelene med slike nanokompositter i forhold til molekylære materialer erat de vil være kjemisk og termisk mer stabile, lettere å bearbeide og de geometriskerestriksjonene som porene og hulrommene utøver vil kunne lede til nye og unikematerialegenskaper. Slike nanokompositter åpner også muligheter for å skreddersy materialermed spesifikke kjemiske og fysikalske egenskaper ved å spille på egenskapene både tilkoordinasjonspolymerene og spesiene som er deponert i hulrom og kanaler. Hovedoppgavenvil innebære framstilling av koordinasjonspolymere ved våtkjemisk solvotermalRev. 1 11

synteseteknikk. Deretter vil molekyler og komplekser bli deponert i porer og hulrom fragassfase. Nanokomposittene vil bli karakterisert ved pulver røntgendiffraksjon, termiskanalyse og gassadsorpsjon.Oppgave 2. 7Faglærer:Koordinasjonspolymere som nanokrystallerFørsteamanuensis Kjell Ove KongshaugNår størrelsen på krystalittene til materialer blir mindre enn ca. 100 nm, så endreregenskapene til materialene seg drastisk. Ved å studere slike nanomaterialer har manoppdaget mange unike optiske, magnetiske og elektroniske egenskaper som er avhengig avkrystallstørrelse og krystallform. Koordinasjonspolymere er en relativt ny materialtype, sombestår av monomere av metaller eller metalloksider og rigide organiske molekyler som dannerkrystallinske polymere ved koordinasjonsbindinger. Inntil nå har forskningsfokuset for dissematerialene vært rettet mot anvendelser som hydrogenlagring, CO 2 innfanging og katalyse, ogegenskapene er avledet fra studier av materialer i bulkfase (0.1 μm – 1 mm). I denneoppgaven skal det framstilles koordinasjonspolymere som består av nanokrystaller (2 -100nm). Slike materialer kan ha unike kjemiske og fysikalske egenskaper. Det vil være fokus påto typer koordinasjonspolymere. Porøse nanokrystaller med potensielt unike egenskaper innengassopptak og presis molekylavlevering. Koordinasjonspolymere med dynamiske strukturersom lar seg manipulere med eksterne fysiske og kjemiske stimuli som varme, lys og redoksreaksjoner. Hovedoppgaven vil innebære framstilling av koordinasjonspolymere somnanokrystaller ved to metoder: Framstilling inne i nanostørrelse dråper dannet imikroemulsjoner, og inne i nanostørrelse hulrom definert av monodisperse polymerkuler.Nanokrystallene vil bli karakterisert ved røntgendiffraksjon, elektronmikroskopi oggassadsorpsjon.***************************************************************************2 OPPGAVER INNEN UORGANISK KJEMI:Oppgave 2.8Faglærer:Sand kontroll under oljeproduksjonProfessor Terje ØstvoldFlere oljefelt har problemer med sandproduksjon når produksjonsraten øker. Vi arbeider medet konsept for å stabilisere formasjonen i nærheten av oljebrønnen slik at sandkornene bindesbedre med påfølgende mulighet for å øke produksjonsraten. Vi er kommet langt i prosessen,men har igjen noen viktige trinn for å kvalifisere teknologien for uttesting i en oljebrønn. Tildette arbeidet har vi bruk for en entusiastisk hovedfagsstudent med interesse for data ogeksperimentelt arbeid. Arbeidet skal foregå i Trondheim. Dette prosjektet støttes økonomiskav British Petroleum.Oppgave 2.9Faglærer:Mineralavleiring under oljeproduksjonProfessor Terje ØstvoldRev. 1 12

Såkalt scale er et stort problem under olje/gass produksjon. Dette problemet blir ennå størrenår oljeselskapene bruker metanol i brønnstrømmen for å hindre dannelsen av gass eller oljebaserte hydratforbindelser. Dette fordi løseligheten av mineraler i vann-metanol blandinger ermye lavere enn i vann alene. Dette prosjektet har som målsetning å bestemme slikesaltløseligheter i vann-metanol blandinger. Prosjektet støttes økonomisk av Petrobras som erBrasils statelige oljeselskap.Rev. 1 13

3 Korrosjon og overflateteknologiOppgaver 3.1Faglærer:Katodisk beskyttelse ved lave temperaturer – strømbehov ogsammensetning av beskyttende beleggProfessor Roy Johnsen, (Institutt for produktutvikling ogmaterialer)Oppgaven vil bestå av gjennomgang av litteratur, modifisering/oppbygging av nødvendigtestapparatur og eksperimentelt arbeid i naturlig sjøvann. Oppgaven gjennomføres isamarbeid med Statoil.Krav til forkunnskap: TMM4179/TMT4255 ”Korrosjon og korrosjonsvern”Oppgave 3.2Faglærer:Hydrogen utvikling og diffusjon ved katodisk beskyttelse avrustfrie stålProfessor Roy Johnsen, (Institutt for produktutvikling ogmaterialer)Gjennomgang av tilgjengelig litteratur og utføring av praktiske forsøk i laboratoriet. Arbeidetutføres i samarbeid med Statoil.Krav til forkunnskap: TMM4179/TMT4255 ”Korrosjon og korrosjonsvern”Oppgave 3.3Faglærer:Medveileder:Krav til forkunnskap:Spenningskorrosjon på rustfrie stålProfessor Roy Johnsen, (Institutt for produktutvikling ogmaterialer)Representant fra AkerKværnerTMM4179/TMT4255 ”Korrosjon og korrosjonsvern”Vurdere motstanden mot spenningskorrosjon på kaldbøyde komponenter eksponert mot ulikemiljø som H2S, klorider, katodisk beskyttelse. Oppgaven gjennomføres i samarbeid medAker Kværner.Oppgave 3.4Faglærer:Medveileder:Korrosjonshindrende pigmenter i maling og lakkProfessor Roy Johnsen, (Institutt for produktutvikling ogmaterialer)Gro Østensen Lauvstad, SINTEF Materialer og Kjemi (e-post:gro.o.lauvstad@sintef.no)Det er en omfattende bruk av høylegerte stål i offshore olje- og gassanvendelser, for eksempeli rørledninger. Disse materialene viser gode egenskaper ved til dels svært aggressivebetingelser, men utvelgelse og kvalifisering styres av visse begrensninger med hensyn påmaterialegenskaper og miljø (Cl - , H 2 S, pH og temperatur). Under normale offshoreRev. 1 14

driftsbetingelser er disse legeringene vanligvis passivert, dvs. dekket av en beskyttendeoksidfilm. Eventuelle skader, for eksempel ved spenningskorrosjon, vil da kunne starte som etlokalt korrosjonsangrep (pitting) i denne beskyttende filmen.Oppgaven gis i tilknytning til et internt SINTEF-prosjekt med formål å se på ulike strategierfor modellering av lokalisert korrosjon på høylegerte stål i Cl - -H 2 S miljø.Oppgaven går ut på følgende:• Ut fra et litteratursøk gi en oversikt over foreslåtte mekanismer for initiering av lokalekorrosjonsangrep i miljøer som inneholder Cl- og H 2 S og i hvilken grad dissemekanismene kan valideres ved bruk av standard elektrokjemiske målemetoder.• Kartlegge egenskapene til oksider på rustfrie stål som følge av endringer i parameteresom temperatur, pH og Cl - , samt svovelforbindelser (for eksempel H 2 S), ved bruk avelektrokjemiske målemetoder som voltammetri, Mott-Schottky-analyse ogimpedansspektroskopi (EIS). Resultater skal relateres til modeller utviklet for åbeskrive initiering av lokale korrosjonsangrep.Rev. 1 15

4 Elektrokjemisk energiteknologiOppgave 4.1Faglærer:Medveiledere:Utvikling og karakterisering av elektrokatalysatorer forhøytemperatur polymerbrenselcellerProfessor Svein SundeForsker Mikhail Tsypkin, Stipendiat Stein Trygve Briskeby,Post dok Frode Seland, Professor emeritus Reidar TunoldBakgrunnUtvikling av brenselcelleteknologi representerer en stor nasjonal og internasjonalforskningsaktivitet, både med hensyn til utvikling av hele systemer men ikke minst medhensyn til utvikling av komponenter til disse systemene. Institutt for materialteknologi har ilengre tid arbeidet med utvikling av elektrokatalysatorer for polymer vannelektrolyseceller ogbrenselceller.Det er stor internasjonal interesse for å heve driftstemperaturen for polymerbrenselceller fraomtrentlig 80 o C, som er en vanlig driftstemperatur for polymere brenselceller (PEM celler),til 120-200 o C. Det er flere årsaker til at man ønsker denne endringen i driftstemperatur og deviktigste er i) forenklet varmebalanse, ii) økt toleranse for forgiftning av elektrokatalysatoren,iii) forbedret elektrodekinetikk, spesielt på katode(luft)siden. Et problem som kan oppstå nårdriftstemperaturen for systemet heves er stabiliteten til de konvensjonelleelektrokatalysatorene. Konvensjonelle elektrokatalysatorer består i prinsippet av nanometerstore edelmetallpartikler (for eksempel Pt) deponert på amorfe karbonpartikler (størrelsetypisk lik 1-10μm). Ved driftstemperaturer over 120-150 o C vil amorft karbon være ustabilt inærvær av oksygen og oksideres til CO 2 . Ved instituttet arbeides det med en ny generasjonkatalysatorer hvor alternative katalysatorbærere benyttes. Dette kan være nanofibere avkarbon eller elektronisk ledende oksider.Den foreslåtte oppgaven går ut på fremstilling og testing av elektrokatalysatorer der bærerener nanofibere av karbon eller elektronisk ledende oksider. Aktiviteten til katalysatorene medhensyn til reduksjon av oksygen skal bestemmes ved halvcelleforsøk og i brenselceller.Implementering av de nye katalysatorene i brenselceller krever arbeid med hensyn påoptimalisering av tilvirkningsprosessen for både elektroder og MEAs (Membrane ElectrodeAssembly).Institutt for materialteknologi, Faggruppe for elektrokjemi, deltar i et Europeiskforskningsprogram på utvikling av høytemperaturbrenselceller. Den foreslåtteprosjektoppgaven vil bli utført i nær tilknytning til den øvrige aktiviteten innen detteprosjektet.Oppgave 4.2Faglærer:Medveiledere:Modellering av brenselcelleelektroderProfessor Svein SundeFaglagsleder Ann-Mari Svensson, SINTEF Materialer og kjemiBakgrunnMatematiske modeller for brenselceller spiller en viktig rolle for design av celler og systemer.Like viktig er imidlertid den rollen modellene spiller i tolkning av data. Ved Institutt forRev. 1 16

Materialteknologi har en de siste 15 år arbeidet med forskjellige typer modeller forbrenselceller og brenselcellekomponenter. For øyeblikket arbeider vi med en modell fordynamisk oppførsel til katoden i alkaliske celler (og i PEM-celler). Katoden er modellert somen porøs elektrode bestående av agglomerater som igjen er porøse. Dynamisketransportligninger kobles med elektrokjemiske prosesser som dobbeltsjiktsoppladning ogfaradaiske reaksjoner. Det resulterende sett av ligninger løses v.h.a. elementmetoder(FEMLAB). En student knyttet til dette arbeidet vil typisk gjøre parameterstudier og tolkedisse mht fysiske og kjemiske prosesser i elektrodene. Begrensninger i modellen vil kunnemedføre reformuleringer som så må implementeres.Vi kan også tilby en oppgave innen andre typer modellering, f eks modellering avelektrokjemisk oppførsel til komposittelektroder for lav- og høytemperaturceller.Oppgave 4.3Faglærer:Medveileder:Katalysatorer for vannelektrolyseProfessor Svein SundeStipendiat Ingrid Anne Lervik, Stipendiat Lars-Erik Owe,Forsker Mikhail TsypkinBakgrunnVannelektrolyse er på relativt lang sikt den eneste aktuelle metode for produksjon avhydrogen fra fornybare energikilder. Vannelektrolyse er en metode for hydrogenproduksjonmed lange tradisjoner, ikke minst i Norge, men benyttes pga høyehydrogenproduksjonskostnader i dag stort sett når det kreves høy renhet. I energisammenhenger tradisjonell elektrolyseteknologi (basert på alkalisk vannelektrolyse) heller ikke så effektivtsom en kunne ønske.Ny elektrolyseteknologi basert på polymermembranelektrolytter (PEM) er svært lovende mhtdisse problemene pga den høye strømtettheten som er mulig i disse systemene. Imidlertidforegår elektrolysen i surt miljø, og dette fører til høye overpotensialer på anoden(oksygenutviklingsreaksjonen, OER). Aktive og stabile katalysatorer for OER er derforavgjørende for PEM-vannelektrolyse.Ved Institutt for Materialteknologi arbeider vi med utvikling av katalysatorer basert påoksider, typisk ternære og kvarternære oksider med IrO 2 som utgangspunkt. Optimalisering avsammensetningen og syntesen av oksidene er bl.a. avhengig av en forståelse avvekselvirkningene mellom kationene i oksidene og hvilke elektrokatalytiske konsekvenserdisse har. Vi arbeider således med å korrelere elektrokjemisk oppførsel med andrematerialkarakteristikker (oksidenes syre-base-egenskaper, struktur, elektronstruktur m m.).Oppgaven vil bestå av syntese og karakterisering av blandoksid-katalysatorer basert på IrO 2 ,og fremstilling av elektroder av disse katalysatorene. Elektrokjemiske teknikker somvoltametri og impedansanalyse benyttes i tillegg til materialkarakterisering ved måling avisoelektronisk punkt, røntgen, ledningsevne m m.Oppgave 4.4 Utvikling av materialer for PEM-basertebrenselcellesystemer (inkluderer tilbud om sommerjobb)Rev. 1 17

Faglærer:Kontaktperson for Statoil:Professor Svein SundeBørre Tore BørresenBrenselcellesystemer som operere ved lav temperatur (0-110 o C) kan få betydelig anvendelse ien rekke forbindelse, eksempelvis til fremdrift av biler, drift av elektroniske komponenter,generering av strøm og varme samt som strømgeneratorer. Den siste applikasjonen ermålgruppen til PowerCell som er et selskap som driver utvikling av et PEM-basert system forgenerering av strøm til mobile og stasjonære applikasjoner. Brenselcellesystemet består av etPEM-brenselcellesystem samt en hydrogengenerator som produserer hydrogen vedreformering av diesel.For dagens brenselcellesystemer er kostnader og levetid viktige parametere som er med på åbestemme hvor konkurransedyktige disse systemer vil være og valg av materialer vil væreessensielt med hensyn på begge disse faktorene. På bakgrunn av dette ønsker vi å foreslå enprosjektoppgave innen området. I tilknytning til denne prosjektoppgaven ønsker man også åtilby en sommerjobb, med varighet på 6-7 uker. Sommerjobben (og prosjektoppgaven)utføres ved Institutt for materialteknologi, men finansieres av Statoil ASA.Som materialer for bipolare plater og kjøleplater benytter man i dag ofte entenkarbonmaterialer eller rustfrie stål. Disse materialene har sine fordeler og ulemper og manønsker å vurdere bruk av aluminium som en vesentlig komponent i slike systemer, dels pågrunn av vekt/styrke/pris forhold. Aluminium som ikke er beskyttet eller behandlet vil ikkevære korrosjonsbestandig i det aktuelle miljøet og man må derfor beskytte dette mot korrosjonved en overflate behandling. Aktuelle overflatebehandlinger kan være:*) Belegging med et edelmetalloksidsjikt (DSA-teknologi)*) Pådamping/påføring av et annet elektrisk ledende belegg, for eksempel karbon*) Belegging med karbider, for eksempel Al 2 C 3 , W 2 CI denne oppgaven ønsker man å utføre elektrokjemiske undersøkelser for å studereegenskapene til aluminium belagt med karbon og evt. et elektronisk ledende karbidmateriale(for eksempel wolframkarbid) dersom tiden tillater dette. Det vil her være viktig at mangreier å simulere betingelsene i en PEM-brenselcelle så godt som mulig. I tillegg bør detutføres mikroskopiundersøkelser (SEM) av prøvene før og etter eksponering slik at man kanvurdere hvor holdbare slike belegg vil være (vedheft, porøsitet, dannelse av passiverendegrensesjikt mellom Al og C etc). Som en referanse for alle disse undersøkelsene vil manbenytte et ubehandlet rustfritt stål (SS 316), som er et materiale som benyttes i noen PEMsystemerav enkelte produsenter.Oppgaven vil inkludere operasjoner som:*) Tilvirkning av prøver*) Elektrokjemiske målinger av stabilitet og tolkning av disse (for eksempel CV, E-imålinger, elektrokjemisk impedansspektroskopi)*) Bruk av SEM/TEM for å studere grensesjiktet mellom aluminium og karbon (ogeventuelt mellom Al og karbidsjikt) samt overflaten til karbonbelegg og Al.Oppgave 4.5Faglærer:Elektrokjemisk oksidasjon av biobrensel / dimetyleterProfessor Svein SundeRev. 1 18

Ressurspersoner:Professor emer. Reidar Tunold, PhD Frode Seland, PhD MikhailTsypkinBakgrunnIntroduksjon av brenselceller i det kommersielle markedet fordrer utbygging/tilrettelegging aven infrastruktur for drivstoff. Ideelt sett bør man benytte hydrogen som drivstoff. Dette fordikinetikken for oksidasjon av hydrogen er rask, noe som gir en høy energivirkningsgrad. Itillegg er det fordelaktig at kun vann som produseres i prosessen. Imidlertid vil det væreknyttet store kostnader til utbygging av en hydrogen infrastruktur i Norge, spesielt så lenge viikke har en utbygd infrastruktur for naturgass.En mulighet kan derfor være å benytte flytende hydrogenbærere, for eksempel metanol, etanoleller dimetyleter. Disse kan enten fødes direkte inn på brenselcella, eller som en hydrogenrikgass ved reformasjon. Ulempene ved en direkte brenselcelle er flere: dårligere kinetikk, lavomsetning, kort levetid m.m. Et av målene innen utviklingen av brenselceller er å utvikleelektrokatalysatorer med høy aktivitet for oksidasjon av organiske brensler. Blant annet er detfunnet ut at katalysatorer som består Pt-Ru legeringer har høyere aktivitet enn ren Pt.Tilsvarende har mange andre binære og ternære legeringer høyere aktivitet enn ren Pt.I denne oppgaven ønsker man å se på oksidasjonen av dimetyleter. Sammenlignet medalternative biobrensler som metanol og etanol, er det begrenset tilgang til litteratur. Det vilderfor være viktig med å gjennomgå den tilgjengelige litteraturen før det eksperimentellearbeidet starter. Det eksperimentelle arbeidet vil involvere bruk av standard elektrokjemiskemålemetoder som syklisk voltammetri, potensialtrinn og roterende disk elektrode målinger.Det vil også være interessant og studere oksidasjonen ved bruk av en elektrokjemiskkvartskrystall mikrovekt (EQCM).Oppgave 4.6Faglærer:Ressurspersoner:Modellering av bipolare plater til PBI brenselcellerProfessor Svein SundeProfessor emer. Reidar Tunold, Dr.ing. Magnus SkinloThomassen, PhD Frode Seland, PhD Mikhail TsypkinBakgrunnI et EU-prosjekt ved institutt for materialteknologi arbeider man med brenselceller basert påen membran laget av PBI (polybenzimidazole) impregnert med fosforsyre. Fordelen meddenne type brenselceller er at membranen tåler høy temperatur (ca. 200 o C) og at denelektriske ledningsevnen ikke er så avhengig av fuktighet som f.eks. Nafion. En heving avdriftstemperaturen hever toleransen for CO, noe som bl.a. muliggjør en termisk, ellermuligens fysisk, integrering av en metanolreformer og brenselcelle. Videre arbeid innenelektrokatalyse og bipolare plater er viktig for å kunne øke ytelsen til slike brenselceller. Foreksempel har det blitt vist at kontakttapene som oppstår mellom den bipolare platen ogbaksiden av gassdiffusjonselektroden kan bli opptil 0.15 Wcm -2 . Denne verdienkorresponderer til en motstand gjennom en 80 mm tykk membran med en ledningsevne på5.33 x 10 -2 S cm -1 , og påpeker nødvendigheten av å forbedre de bipolare platene både medtanke på materialvalg og kanalgeometri.Ved institutt for materialteknologi har vi kun arbeidet med bipolare plater designet forlavtemperatur Nafionbaserte brenselceller. Disse platene er designet for å forhindre eventuellRev. 1 19

massetransportkontroll forårsaket av for eksempel vann i væskeform eller på grunn avbegrenset diffusivitet av reaksjonsgasser (på grunn av den lave temperaturen). Dette hartvunget brenselcellefabrikanter til å bruke bipolare plater med lange serpentinkanaler hvor ethøyt trykkfall tvinger vann ut av kanalene. Ulempen med serpentinkanaler er den ujevnestrømfordelingen siden gassene vil være rike ved innløpet og utarmet ved utløpet. For PBIbrenselceller som opererer med temperaturer opp til 200 °C vil massetransportproblemenevære betydelig redusert og en kan tenke seg en hel annen geometri på de bipolare platene medstørre skulderbredde og økende antall parallelle kanaler.I denne oppgaven ønsker man å finne optimale bipolare plater for PBI brenselceller med enoperativ temperatur på 170 °C ved bruk av modellering i FEMLAB.Oppgave 4.7Faglærer:Ressurspersoner:Elektrokjemisk oksidasjon av metanolProfessor Svein SundeProfessor Reidar Tunold, PhD Mikhail Tsypkin, PhD FrodeSelandBakgrunnIntroduksjon av brenselceller i det kommersielle markedet fordrer utbygging/tilrettelegging avan infrastruktur for drivstoff. Ideelt sett bør man benytte hydrogen som drivstoff. Dette fordikinetikken for oksidasjon av hydrogen er rask, noe som gir en høy energivirkningsgrad. Itillegg er det fordelaktig at kun vann som produseres i prosessen. Imidlertid vil det væreknyttet store kostnader til utbygging av en hydrogen infrastruktur i Norge, spesielt så lenge viikke har en utbygd infrastruktur for naturgass.En mulighet kan derfor være å benytte metanol som hydrogenbærer. Metanol reformeresombord i bilen/bussen (CH 3 OH + H 2 O = CO 2 + 3 H 2 ) til en hydrogenrik gass som fødes innpå cellen. Alternativt kan metanol oksideres elektrokjemisk på elektrodeoverflaten i følgereaksjonen: CH 3 OH + H 2 O = 6H + + 6e - + CO 2 . Hastigheten for denne prosessen er vesentliglavere enn for oksidasjon av hydrogen. Et av målene innen utviklingen avdirektemetanolbrenselceller er å utvikle elektrokatalysatorer med høy aktivitet for oksidasjonav metanol. Blant annet er det funnet ut at katalysatorer som består Pt-Ru legeringer harhøyere aktivitet enn ren Pt. Tilsvarende har mange andre binære og ternære legeringer høyereaktivitet enn ren Pt.I denne oppgaven skal man studere oksidasjonen av metanol ved hjelp av ulikeelektrokjemiske målemetoder. Man skal syntetisere forskjellige typer platinabaserteelektrokatalysatorer på gullsubstrat (primært platina og rutenium avsetninger på gull), elleravsetning direkte på platina (rutenium avsetning på platina) og studere de elektrokatalytiskeegenskapene for disse katalysatorene med hensyn på metanol oksidasjon. I tillegg til kjøringav tradisjonelle elektrokjemiske målemetoder som syklisk voltammetri og kronoamperometrivil det være aktuelt med utførelse av mer utradisjonelle mekanistiske forsøk på enelektrokjemisk kvartskrystallvekt (EQCN) samt ulike forsøk på en roterende ring diskapparatur og elektrokjemisk impedans spektroskopi.Oppgaven inkluderer:• Litteraturundersøkelser• Produksjon av katalysatorer, fortrinnsvis Pt-Ru.Rev. 1 20

• Studier av den elektrokjemiske aktivitet til disse katalysatorene• Mekanistiske studier ved bruk av EQCN og RRDEOppgave 4.8Faglærer:Medveileder:Fotoelektrokjemiske studier av halvledende oksiderProfessor Svein SundeFaglagsleder Ann-Mari Svensson, SINTEF Materialer og kjemiBakgrunnFotoelektrokjemiske solceller er et alternativ til faststoffsolceller med betydeligefabrikasjonsmessige fortrinn. Grunnlaget for fotoelektrokjemiske celler legges gjennomstudier av elektrokjemiske prosesser på halvledere.Elektrokjemiske og fotoelektrokjemiske studier av halvledere er også av fundamentalinteresse. Halvlederelektroder oppfører seg fundamentalt forskjellig fra metallelektroder, ogen beskrivelse av deres elektrokjemiske egenskaper gjøres vanligvis med referanse tilhalvlederens båndstruktur. En teoretisk beskrivelse av elektrokjemi på halvledere forutsetterogså en annen og mer detaljert beskrivelse av elektrolytten enn den som vanligvis benyttes.Halvlederelektrokjemiske teknikker og teorier har også anvendelser innen korrosjon(passivering).Et vesentlig problem ved fotoelektrokjemiske solceller er korrosjon av halvlederen.Halvlederen kan imidlertid beskyttes ved å belegge den, f eks med et stabilt oksid. For eteventuelt design av slike celler er det avgjørende å kjenne også egenskapene til oksidbelegget.I tillegg til klassiske elektrokjemiske teknikker benyttes også ofte fotoelektrokjemiske studier,der sammenhengen mellom elektrokjemisk oppførsel og belysning studeres.Ved Institutt for materialteknologi og samarbeidende gruppe i SINTEF Materialer og kjemistuderes for tiden tinn-dopet indiumoksid (ITO) og antimon-dopet indiumoksid sombeskyttende belegg for elektrokjemiske silisiumsolceller, og en prosjektoppgave ønskesknyttet til dette arbeidet. Oppgaven vil bestå i elektrokjemisk karakterisering (hovedsakeligvoltametri og impedans) og fotoelekrokjemisk karakterisering (måling av fotostrøm). Det kanogså være aktuelt med andre teknikker (AFM/STM og måling av Hall-koeffisient) og andrematerialer. Oppgaven vil i tillegg til det eksperimentelle også gi et godt innblikk i teori forelektrokjemi på halvledere.Rev. 1 21

5 Materialutvikling og videreforedlingOppgave 5.1Faglærer:Modifisering av overeutektiske Al-Si-legeringer gjennomkonveksjonProfessor Lars ArnbergArbeidsoppgaver:Støpe ut Al-Si legeringer med overeutektisk sammensetning (C Si >12%) under omrøring.Studere metallografisk hvordan morfologien hos primær silisium påvirkes av konveksjonen.Kvalifikasjoner:Metallografisk prøvepreparering og mikroskopi. Kunnskaper i tysk er en fordel.Prosjektet er en del av samarbeid med TU Bergakademie Freiberg og er tenkt å etterfølges avdiplomarbeid som delvis blir gjennomført i Tyskland.Oppgave 5.2Faglærer:Medveiledere:Silisium – solceller: Innvirkning av digelkvalitet / coating påegenskaperProfessor Lars ArnbergProfessor Otto Lohne og Stipendiat Rannveig KvandeArbeidsoppgaver:Karakterisering av solcellesilisium som har blitt støpt i digler av ulik reinhet. Levetid tilelektroner måles i ulike posisjoner og relateres til mikrostrukturer (kornstruktur,dislokasjoner, inneslutninger etc) og kjemisk sammensetning.Kvalifikasjoner:Metallografisk prøvepreparering og mikroskopi (lysmikroskopi, SEM)Oppgave 5.3Faglærer:Medveiledere:Silisium - solceller: Diffusjon langs korngrenserProfessor Otto LohneAvdelingsingeniør Pål Ulseth og professor Jarle HjelenArbeidsoppgave:Metallografisk karakterisering av hvordan aluminium diffunderer langs ulike typerkorngrenser i silisium ved temperaturer over 500 °C.Kvalifikasjoner:Kan bruke lysmikroskop og SEM m/EBSD og EDS. Sliping/polering/etsing av silisium.Arbeidet er et samarbeid med ScanCell (Hans Jørgen Solheim) og Institutt for fysikk, NTNU(Randi Holmestad).Rev. 1 22

Oppgave 5.4Faglærer:Medveileder:Silisium – Solceller: Trådsaging av Si-skiver (wafer)Professor Otto LohneAvdelingsingeniør Pål UlsethArbeidsoppgave:Gjøre kontrollerte forsøk på hvordan ulike prosessparametre (trådhastighet, størrelse på SiCkorn,sliping (eller saging ) av overflate på blokk, etc) påvirker kvaliteten på waferoverflate(sprekkdannelse etc.)Opplegget er et samarbeid med ScanWafer (Stian Sannes), Orkla Exolon (Anne Marie Moe)og SINTEF ( Ketill Pedersen)Oppgave 5.5Presstøping av lettlegeringer: Studere hvilke effektervakuum i støpeforma har på materialegenskapene i HPDCaluminiumlegeringerFaglærer:Professor Otto LohneMedveiledere: Professor Lars Arnberg, Avdelingsingeniør Pål Ulseth,Stipendiat Raimo Helenius m.fl.Arbeidsoppgave: Aluminiumlegeringer med forskjellig kjemisk sammensetning blir støpt utunder kontrollerte betingelser på en velutstyrt presstøpemaskin hos Hydro i Porsgrunn. Ulikeprosessbetingelser (vakuumnivå, smeltetemperatur etc.) vil føre til variasjoner i mikrostrukturog derfor påvirke de mekaniske egenskapene. Hva er optimalt?Opplegget er et samarbeid med Hydro (Sunndalsøra og Porsgrunn). Det er ønskelig at densom velger denne oppgaven kan ta sommerjobb (betalt av Hydro (Sunndalsøra – Hans IvarLaukli)) for å arbeide med liknende problemstillinger.Oppgave 5.6Faglærer:Veiledere:Mikrostruktur og mekaniske egenskaper til Al-Mg-Silegeringer sammenføyd ved bruk av HYMEN BondingmetodenProfessor Øystein GrongStipendiat Tomas Erlien, Stipendiat Anders LillebyVed Institutt for materialteknologi (IMT) ved NTNU har det i mange år vært arbeidet med åetablere en ny sammenføyningsprosess for aluminium, den såkalte HYMEN Bondingmetoden. Denne baserer seg på at aluminium under høyt trykk ekstruderes ned i en fugemellom de to platene som skal sammenføyes, slik at oksidbelegget brytes og metalliskbinding oppstår i fugen.Selve oppgaven går ut på å karakterisere mikrostruktur og mekaniske egenskaper til Al-Mg-Si- legeringer av typen AA6082 i ulike utherdingstilstander som er sammenføyd i laboratorietunder kontrollerte betingelser ved bruk av HYMEN Bonding metoden. De metallografiskeundersøkelsene vil omfatte bruk av lysmikroskop for karakterisering av kornstrukturer ogRev. 1 23

flytmønster i sammenføyningssonen samt SEM/EBSD for kartlegging avdeformasjonsstrukturer og tekstur i det ekstruderte tilsettmaterialet. Videre skal de mekaniskeegenskapene dokumenteres ved hjelp av hardhetsmålinger, strekk- og bøyeprøvning. Disseskal så sammenholdes med tilsvarende resultater rapportert for konvensjonell MIGsveising/friksjonssveising (FSW) av samme type grunnmateriale.Oppgaven er reservert for student Kaja Krog.Oppgave 5.7Faglærer:Formbarhet ved varmsmiing av høgfast aluminium tilkomplekse personbil chassis komponenterProfessor II Ola JensrudBakgrunnVarmsmiing er den mest vanlige teknikk for framstilling av utmattings påkjente aluminiumdeler i en personbil chassis og spesielt hjulopphengsarmene. Enkelte av komponentene har enkompleks geometri som f. eks hjullager hus og nedre kontrollarm. Dette er geometrier somformings teknisk betyr flyt i flere retninger for fylling av kavitetene, og med et samspillmellom parametere som hastighet, temperatur og material tilstand. Sannsynligheten forfeildannelse er stor og mange av faktorene som kan gi materialfeil er lite forstått blant annetskjærsoners integritet.I enhver sammenheng hvor sikkerhets komponenter skal produseres trengs en solidteknologisk basis for å unngå feil og det jobbes etter prinssippet om prosess kontroll for åsikre kvalitet. For å bestemme grensebetingelsene er en fundamental forståelse for defenomen som er tilstede under flyt av metaller. Dette er nødvendig for å få FEM programmertil å være effektive og pålitelige i simulering av komplekse formeoperasjoner.ProsjektetDet vil i prosjektet bli lagt vekt på eksperimentelle teknikker for studie av skjærdeformasjonved varmforming av legeringer på AlMgSi basis og spesielt AA6082. Formbarhet forstått somkritisk parametere for spekker og feil i emnets materiale er sentralt. I tilegg vil det bli lagtvekt på termomekaniske forhold som har betydning for materialets evne til å beholdeintegriteten ved store lokal tøyninger. Her er kornstørrelse, elementer i fast løsning ogpartikkel struktur sentrale deltema i diskusjonen. Et spesielt designet flyt eksperiment leggestil grunn for en del av studiene så vel som IMT sin nye 100tonns hydrauliske presse. I tileggåpnes aktiviteten for et samarbeid med prosjektet SmiOp innen FEM simulering avmassivformingen.Oppgave 5.8Faglærere:Medveiledere:DumoulinTeknisk assistanse:Equal Channel Angular Pressing (ECAP) av aluminium istålverktøy – effekter knyttet til friksjon og lignendevekselvirkningerProfessor Hans Jørgen Roven, prof. II Oddvin ReisoPost doc.. Jens C. Werenskiold og Post doc.. StephaneAvdelingsing. Pål C. Skaret og Avdelingsing. Pål UlsethRev. 1 24

Beskrivelse:Nanostrukturering av metaller – og spesielt av aluminium, har fått enorm oppmerksomhet idet internasjonale forsknings- og industrisamfunnet i løpet av de siste 5 år. En kjent metodefor fremstilling av bulk emner med nanostruktur i laboratoriet er ECAP. Denne oppgaven gårut på å studere hvilke prosessbetingelser (temperatur, legeringssammensetning,friksjonsforhold, deformasjonshastighet) som gir full vedvarende kontakt mellomarbeidstykket og verktøy (såkalt ”sticking friction”) samt å gjøre estimater på reellefriksjonskoeffisienter. Det gjøres forsøk i instituttets FORMLAB og personell i NTNU’sNanoSPD gruppe vil bistå arbeidet aktivt. I tillegg vil det bli gjort systematiskevarmtorsjonsforsøk og metallografiske undersøkelser (lysoptisk og SEM). Det vil også værenær kontakt med kontaktpersoner i industrien (Norsk Hydro) og man vurderer å tilbysommerjobb innen temaet.Arbeidet er en del av det internasjonale samarbeidet innen SPD (severe plastic deformation)og nanostrukturelle metaller: http://www.nanospd.org/Oppgave 5.9Faglærere:Medveiledere:Teknisk assistanse:Smiegenskaper til to ultra-finkornige aluminium legeringerProfessor Hans Jørgen RovenProfessor II Ola Jensrud (Raufoss Technology & IndustrialManagement)Avdelingsing. Pål C. Skaret, avdelingsing. Pål UlsethBeskrivelse:Videreforedlingsindustrien i Norge og Europa er på jakt etter nye materialer og metoder foravansert forming til komplekse geometrier. En mulig kandidat er nanostrukturert aluminium.Oppgaven går ut på å fremstille smiemner (materialer med og uten Mn- dispersoider) vedECAP-metoden for deretter å gjennomføre kontrollerte smiforsøk i instituttets nyeservohydrauliske forskningspresse.Etter smiing karakteriseres materialet med hensyn til mekaniske egenskaper, mikrostruktur ogoverflatefinhet. I forbindelse med smiing testes ulike kombinasjoner av deformasjonshastighetog temperatur og mengde ”skjegg” kvantifiseres. Det vil bli lagt opp til et nært samarbeid oginteraksjon med industri-klyngen på Raufoss.Dette prosjektet er også en del av det internasjonale samarbeidet innen SPD (severe plasticdeformation) og nanostrukturelle metaller: http://www.nanospd.org/Oppgave 5.10Faglærer:Veileder:Teknisk assistanse:Rekrystallisasjon etter Equal Channel Angular Pressing(ECAP) av to kommersielle aluminiumslegeringerProfessor Hans Jørgen RovenDr.ing Børge ForbordAvdelingsing. Pål C. Skaret, Avdelingsing. Pål UlsethBeskrivelse:Nanostrukturert aluminium har en indre latent energi for rekrystallisasjoning. Studier avrekrystallisasjon og kornvekst i disse materialene er forholdsvis upløyd mark. Dog, detRev. 1 25

arbeides allerede med problemstillingen i fagmiljøet ved NTNU/SINTEF og kandidaten vilderfor inngå i et forskningsteam hvor man bl.a. gjør tilleggstudier i den Europeiskesynkrotronaksellerator i Grenoble (ESRF). To kommersielle AlMgSi legeringer (hhv. med oguten disperoider) vil inngå og frenstilling av de nanostrukturerte materialene vil foregå iFORMLAB. Det gjøres varmebehandling, hardhetsmålinger, ledningsevnemålinger ogmetallografi (lysoptisk og SEM). Man kan regne med at samarbeidende drifts- ogforskningsmiljøer i lettmetallindustrien vil følge med på arbeidets utvikling og oppnådderesultater.Dette prosjektet er også en del av det internasjonale samarbeidet innen SPD (severe plasticdeformation) og nanostrukturelle metaller: http://www.nanospd.org/.Oppgave 5.11Supervisor:Ass. supervisor:Technical assistance:High Pressure Torsion and Cryogenic properties of nanostructuredaluminiumProfessor Hans Jørgen RovenDr. Manping LiuSenior Eng. Pål C. Skaret, Senior Eng. Pål UlsethDescription:Al-Mg alloys subject to severe plastic deformation (SPD) are known to achieve high strengthlevels. As part of a long term goal to produce aluminium alloys with extreme strength, onewill produce nanostructured materials for testing and characterization. Two different SPDapproaches will be used: (i) ECAP and (ii) High Pressure Torsion (HPT). As part of thetesting, one will perform tensile tests at cryogenic temperature. Deformation structures will bequantified; Scanning electron microscopy (SEM) and high resolution transmission electronmicroscopy (HRTEM). People from the aluminium industry will be part of the discussionteam connected to the work and the candidate.The work is also connected the international cooperation within nanostructuring metals bySPD (severe plastic deformation) and in this case the Ufa State Aviation University in Russia,e.g. see: http://www.nanospd.org/Special requirements: Working language will (partly) be in English. The project is also openfor Master students in the international MSc program in Light Metals.Oppgave 5.12Supervisors:Ass. supervisors:Technical assistance:Multi-scale strain measurements vs. grain size in aluminiumProfessor Hans Jørgen Roven, Professor Jarle HjelenDr. Stephane Dumoulin and PhD student Morten KarlsenSenior Engineer Pål C. Skaret and Senior Engineer Pål UlsethDescription:Different grain sizes in aluminium alloy 6063 will be processed in the FORMLAB laboratoryat Department of Materials Science and Engineering. After processing and adequate heattreatmentsthe candidate will perform uni-axial deformation in a standard servo-hydraulictesting machine equipped with a new advanced strain analyses technique (‘7D’). ThisRev. 1 26

technique is based on digital speckle analyses and we want to further develop the multi-scalestrain measurements for both light – and electron optical imaging. The effect ofmicrostructure (grain size) and dynamic strain aging will be incorporated in the studies.People from the aluminium industry will be part of the discussion team connected to the workand the work of the candidate.The work is also part of the international cooperation within nanostructuring metals by SPD(severe plastic deformation): http://www.nanospd.org/Special requirements: Working language will (partly) be in English. The project is also openfor Master students in the international MSc program in Light Metals.Oppgave 5.13Faglærere:Medveiledere:Sted:Mikrostruktur/tekstur og egenskaper ved termomekaniskbearbeiding av Al-legeringer – Eksperimenter ogmodelleringProfessor Erik Nes, Professor Knut MarthinsenProf. II Olaf Engler, Forsker B. Holmedal, Forsker Yanjun Li,Postdoc Jesper Friis, PhD Stip. Egil Fjeldberg.Ved Inst. for materialteknologiI det fysikalsk metallurgiske miljø ved IMT har man gjennom de siste 10-15 år (i nærtsamarbeid med Hydro Al) utviklet flere fysikalsk baserte modeller for utvikling avmikrostruktur og egenskaper ved termomekanisk bearbeiding av Al-legeringer, herunder enmodell for substrukturutvikling og arbeidsherding ved plastisk deformasjon (ALFLOW) og enmodell for gjenvinning og rekrystallisasjon ved etterfølgende varmebehandling/gløding(ALSOFT). Siktemålet er utvikling av virtuelle verktøy som kan brukes i industrien for åskreddersy materialegenskaper og optimalisere industriell praksis for framstilling ogbearbeiding.Aktuelle tema for hovedoppgaver er:(i) Ekperimentelt orienterte oppgaver for å validere og videreutvikle eksisterendemodeller for mikrostruktur- og teksturutvikling. Termomekanisk bearbeiding(valsing/ekstrudering og varmebehandling), mekanisk testing (strekktesting/torsjon)og mikrostruktur/tekstur karakterisering (for eksempel OM, XRD, SEM, TEM).(ii) Validering og videreutvikling av eksisterende fysikalsk baserte modeller forsubstrukturutvikling og arbeidsherding ved plastisk deformasjon (ALFLOW) ogmodeller for gjenvinning og rekrystallisasjon ved etterfølgendevarmebehandling/gløding (ALSOFT). Oppgaven er reservert for student BjørnarHaaland.(iii) Implementering, uttesting og videreutvikling av Potts Monte Carlo-modeller/CellularAutomata modeller for studier av kornvekst og rekrystallisasjon.Krav til kvalifikasjoner/forutsetninger:For oppgavene (ii og iii) forutsettes interesse for og fortrolighet med bruk av datamaskiner,programmering og numeriske metoder for å løse materialteknologiske problemer.Rev. 1 27

Oppgave 5.14 Forbedring av slitasjeegenskapene til austenittiskmanganstålFaglærer:Veileder:Professor Jan Ketil SolbergStipendiat Fredrik HaakonsenScana Steel Stavanger produserer i dag en versjon av Hadfieldstålene de kaller Strømhardstål. Dette er et austenittisk stål med ca 1,5 % karbon og 20 % mangan. Manganstålene blirblant annet brukt til knuseplater og knusekoner i pukkverk og gruveindustri, og får sinslitasjemotstand av kraftig arbeidsherding ved slag som opptrer under bruk. Dette stålet kanmuligens forbedres med tilsats av karbiddannende element som øker motstanden mot abrasivslitasje. Oppgaven vil gå ut på å tilsette karbiddannere til smeltet stål, felle ut partikler vedvarmebehandling, karakterisere mikrostrukturen og gjøre slitasjeforsøk.Oppgave 5.15 Metallografisk undersøkelse av nikkel superlegeringgassturbin etter bruk og reparasjonsbehandlingFaglærer:Professor Jan Ketil SolbergBeskrivelse legges ut senere.Oppgaven er et samarbeid med Statoil, Trondheim. Det er gode muligheter for sommerjobb.Oppgave 5.16Styrke og duktilitet til panserstålFaglærer:Professor Jan Ketil SolbergBeskrivelse legges ut senere.Oppgaven er et samarbeid med Institutt for konstruksjonsteknikk.Rev. 1 28