Autor: Bodo Fiedler

Diese Arbeit behandelt die Herstellung und Charakterisierung von Polymernanokompositen (PNCs). Es werden zwei graphitische Füllstoe in Epoxidmatrix untersucht: Kohlenstonanotubes (CNTs) und “Aerographit” (AG). Die PNCs dieser Arbeit unterscheiden sich hinsichtlich Füllstogehalt 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 ≈ 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 ≈ 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 ((), E()). Eine zentrale Fragestellung ist, wie sich eine strenge Anisotropie (CNT-PNCs) oder eine kovalente Vernetzung (AG-PNCs) auf die Ezienz der elektr. Leitung pro Füllstoanteil (/) auswirkt. Speziellere Fragen sind u.a.: Wie wird die Piezoresistivität von CNT-PNCs beeinusst, wenn die Abstände zwischen CNTs so weit reduziert werden, dass sie im Bereich ihrer Abmessungen liegen? Dominiert eher die Orientierung der CNTs oder der Füllstoanteil 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 verarbeitetwerden. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden anhand von gerichteten in-houseMWCNTs (l >1,3 mm), ungerichteten in-houseMWCNTs (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 Füllstoanteile auf. Mit den APNCs können weit gesteigerte Materialkennwerte erreicht werden (APNCs: ≈ 37000 S/m, E ≈ 36 GPa; RPNCs: ≈ 3000 S/m, E ≈ 6 GPa). Es kann hier gezeigt werden, dass die elektrische Leitfähigkeit von hoch gefüllten APNCs ähnlichen Skalierungsregeln () 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 Füllstoanteile 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 Füllstoen untersucht. Eine gegenüber allen bisherigen CNT-PNCs (dispergierte CNT-PNCs u. hoch gefüllte APNCs/RPNCs) erhöhte Ezienz der elektr. Leitung pro Füllstoanteil (/) 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 Einuss 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.