Untersuchungen zur Wasserstoffdiffusion im Membranmaterial mithilfe eines Permeationsprüfstands

12.8.2019

© Fraunhofer IWM

1. Photographie des Wasserstoff-Permeationsprüfstands

Lukas Gröner

Ein am IWM bereits vorhandener Permeationsprüfstand zur Charakterisierung der Barrierewirkung von diversen Schichten gegenüber Wasserstoffdiffusion (vgl. Blogeintrag vom 05.04.2019) wurde gezielt weiterentwickelt und bietet nun neue Analysemöglichkeiten zur Identifizierung verschiedener Diffusionsphänomene von Wasserstoff.

Der Permeationsprüfstand besteht dabei aus zwei Kammern, welche durch eine Membran (z.B. Stahl- oder Nickel-Bleche) voneinander getrennt sind. Wird auf der Hochdruckseite ein bestimmter Wasserstofffluss eingelassen, kann der molekulare Wasserstoff auf der Membran adsorbieren und nach einer Dissoziation in das Membranmaterial eindringen. Durch den Konzentrationsgradienten gegenüber der Niederdruckseite diffundieren die Wasserstoffatome auf die UHV-Seite des Prüfstandes (<10-8 mbar), wo diese wieder rekombinieren und anschließend desorbieren. Ein Quadrupol-Massenspektrometer detektiert den Wasserstoff nach der Permeation durch das Membranmaterial, welches sowohl beschichtet wie unbeschichtet eingesetzt werden kann. Eine Abbildung des Permeationsprüfstandes ist in Abb. 1 dargestellt.

Aufgrund eines hohen Untergrundsignals von Wasserstoff (1H) wird für Untersuchungen dieser Art das Isotop Deuterium (2H) verwendet.  Zudem besteht im Permeationsprüfstand die Möglichkeit über einen Heizstrahler die Temperatur der Membran zwischen 30<T<300°C einzustellen.

Soll der temperaturabhängige Diffusionskoeffizient von Wasserstoff im Membranmaterial bestimmt werden, wird bei konstanter Temperatur zur Zeit t=0 Deuterium in die atmosphärendruckseitige Kammer eingelassen. Das Massenspektrometer detektiert für Zeiten t>0 einen ansteigenden Permeationsstrom, bis ein Gleichgewichtszustand vorliegt und der Strom konstant bleibt.

Im vorliegenden Fall wurde die Permeation von Deuterium in Nickel untersucht, siehe Abb. 2. Anhand des zeitlichen Verlaufes des Permeationsstroms wurde der temperaturabhängige Diffusionskoeffizient bestimmt. In der Abbildung links ist zu erkennen, dass der theoretische Verlauf des Permeationsstroms, welcher sich aus dem zweiten Fick’schen Gesetz ergibt, gut mit der Messung übereinstimmt. Dies lässt darauf schließen, dass Oberflächeneffekte bei der Permeation vernachlässigt werden können und allein die Bulk-Diffusion den Permeationsstrom steuert.

Durch die Bestimmung weiterer Werte des Diffusionskoeffizienten für andere Temperaturen konnten die Literaturwerte im Rahmen der Messgenauigkeit gut reproduziert werden. Diese Methode kann daher sowohl für neue oder unbekannte Materialsysteme als auch für bekannte Materialien mit modifizierten Oberflächen verwendet werden um Diffusionsphänomene von Wasserstoff zu untersuchen. Geplant sind Untersuchungen an überrollfesten Barriereschichten für Anwendungen in Wälzlagern sowie an Edelmetallhaltigen Schichtsystemen für Anwendungen in der Photonik.

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2 Links: Transiente des Permeationsstroms von D in Ni im Vergleich zum theoretischen Verlauf.

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Rechts: Die daraus bestimmten temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten von H2 in Ni im Vergleich zu Literaturwerten.