• Mecklenburg, Matthias

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Herstellung und Charakterisierung von Polymernanokompositen (PNCs). Es werden zwei graphitische Füllstoffe in Epoxidmatrix untersucht: Kohlenstoffnanotubes (CNTs) und “Aerographit” (AG). Die PNCs dieser Arbeit unterscheiden sich hinsichtlich Füllstoffgehalt und Morphologie wie folgt: CNT-basierte PNCs (CNT-PNCs): PNCs mit unidirektionaler Ausrichtung (APNCs, anisotrop) und willkürlicher Ausrichtung (RPNCs, isotrop) von CNTs. Es wird der Bereich von Φ= 10-68 wt.% Gewichtsanteil untersucht. AG-basierter PNCs (AG-PNCs): PNCs mit 3D-vernetzten Graphitnetzwerken in Epoxidmatrix. Die inneren Elemente sind isotrop orientiert und kovalent vernetzt. Es wird der Bereich Φ= 0,2-0,6 wt.% Gewichtsanteil untersucht. Die Skalierung der elektrischen Leitfähigkeit und die Skalierung der E-Moduln werden bei bisher nicht vorhandener Variationsbreite der CNT-Gewichtsanteilen untersucht (σ (Φ) , E(Φ)). Eine zentrale Fragestellung ist, wie sich eine strenge Anisotropie (CNT-PNCs) oder eine kovalente Vernetzung (AG-PNCs) auf die Effizienz der elektr. Leitung pro Füllstoffanteil (σ/Φ) auswirkt. Speziellere Fragen sind u.a.: Wie wird die Piezoresistivität von CNT-PNCs beeinflusst, wenn die Abstände zwischen CNTs so weit reduziert werden, dass sie im Bereich ihrer Abmessungen liegen? Dominiert eher die Orientierung der CNTs oder der Füllstoffanteil der CNTs das piezoresistive und thermoelektrische Verhalten von CNT-PNCs? Lassen sich maximale Grenzen für E-Moduln und elektr. Leitfähigkeiten von CNT-PNCs ableiten? Methodisch ist wird die Untersuchung durch ein neues Herstellungsverfahren für APNCs/RPNCs möglich (Patent). Hierbei können sehr verschiedene Arten von CNTs verarbeitet werden. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden anhand von gerichteten in-house MWCNTs (l> 1,3 mm), ungerichteten in-house MWCNTs (l> 1,3 mm) und ungerichteten kommerziellen MWCNTs ( l=0,01 mm) betrachtet. Die APNCs u. RPNCs dieser Arbeit werden mit dem bisherigen Wissen über dispergierte CNT-PNCs verglichen. Dispergierten CNT-PNCs weisen i.d.R. nur keine Orientierung der CNTs und nur niedrige Füllstoffanteile auf. Mit den APNCs können weit gesteigerte Materialkennwerte erreicht werden (APNCs: σ= 37000 S/m, E= 36 GPa; RPNCs: σ= 3000 S/m, E= 6 GPa). Es kann hier gezeigt werden, dass die elektrische Leitfähigkeit von hoch gefüllten APNCs ähnlichen Skalierungsregeln σ (Φ) folgt, wie sie für dispergierte CNT-PNCs abgeleitet sind. Die isotropen und kovalent vernetzten Graphitnetzwerke des Aerographits können vollständig mit Epoxiden gefüllt werden. Die resultierenden AG-PNCs sind hinsichtlich Füllstoffanteile und Isotropie mit typischen dispergierten CNT-PNCs vergleichbar. Es wird die Auswirkung einer reduzierten Tunnelleitung das piezoresistive Verhalten und die elektr. Leitfähigkeit von PNCs mit graphitischen Füllstoffen untersucht. Eine gegenüber allen bisherigen CNT-PNCs (dispergierte CNT-PNCs u. hoch gefüllte APNCs/RPNCs) erhöhte Effizienz der elektr. Leitung pro Füllstoffanteil (σ / Φ) kann gezeigt werden. Anhang zum Aerographit: Eine im Jahr 2010 entdeckte Synthese ermöglicht es graphitische Strukturen auf dem Metalloxid Zinkoxid (ZnO) abzuscheiden. In dem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (CVD) kann umfangreich Einfluss auf die innere Struktur und Dichte genommen werden (Patent). Es sind drei Hauptvarianten des AGs bekannt. Diese unterscheiden sich grundlegend in der Struktur der inneren Graphitwände und/oder Füllungen. Die Kinetik der Entfernung des Templates und der Nukleation von Graphit im CVD-Prozess ist bisher nur ansatzweise verstanden. Die Kapitel “Grundlagen” und der “Anhang A” sind der Fortsetzung dieser Forschung gewidmet. Wichtige Inhalte des Anhangs sind folgende Punkte: Selektion der Varianten u. Dichten der AGs via CVD, Einführung eines Wachstumsmodells und Zusammenfassung der Strukturanalysen (SEM, TEM, EELS, XRD) der Jahre 2010-2016.

Topics

• scanning electron microscopy
• x-ray diffraction
• transmission electron microscopy
• chemical vapor deposition
• electron energy loss spectroscopy
• discrete element method