@phdthesis{Wiener2009,
  author    = {Wiener, Matthias},
  title     = {Synthese und Charakterisierung Sol-Gel-basierter Kohlenstoff-Materialien f{\"u}r die Hochtemperatur-W{\"a}rmed{\"a}mmung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-44245},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese, Charakterisierung und Optimierung von Kohlenstoff-Aerogelen (C-Aerogele) f{\"u}r den Einsatz als Hochtemperaturw{\"a}rmed{\"a}mmung (> 1000°C). C-Aerogele sind offenpor{\"o}se monolithische Festk{\"o}rper, die durch Pyrolyse von organischen Aerogelen entstehen. Die Synthese dieser organischen Vorstufen erfolgt {\"u}ber das Sol-Gel-Verfahren. Zur Charakterisierung der Morphologie wurde die innere Struktur der Aerogele mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, R{\"o}ntgendiffraktometrie (XRD), Raman-Spektroskopie, Stickstoffsorption und R{\"o}ntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) untersucht. Die thermischen Eigenschaften der Aerogele wurden mit Hilfe von Laser-Flash Messungen, dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC), thermographischen und infrarot-optischen (IR) Messungen quantifiziert. Die innere Struktur von Aerogelen besteht aus einem dreidimensionalen Ger{\"u}st von Prim{\"a}rpartikeln, die w{\"a}hrend der Sol-Gel Synthese ohne jede Ordnung aneinander wachsen. Die zwischen den Partikeln befindlichen Hohlr{\"a}ume bilden die Poren. Die mittlere Partikel- und Porengr{\"o}ße eines Aerogels kann durch die Konzentration der Ausgangsl{\"o}sung und der Katalysatorkonzentration einerseits und durch die Synthesetemperatur und -dauer andererseits eingestellt werden. Der Bereich der mittleren Partikel- und Porengr{\"o}ße, der in dieser Arbeit synthetisierten Aerogele, erstreckt sich von einigen 10 Nanometern bis zu einigen Mikrometern. Die Dichten der Proben wurden im Bereich von 225 kg/m3 bis 635 kg/m3 variiert. Die Auswirkungen der Pyrolysetemperatur auf die Struktur und die thermischen Eigenschaften der C-Aerogele wurden anhand einer Probenserie erstmalig systematisch untersucht. Die Proben wurden dazu bei Temperaturen von 800°C bis 2500°C pyrolysiert bzw. temperaturbehandelt (gegl{\"u}ht). Um die einzelnen Beitr{\"a}ge zur W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit trennen und minimieren zu k{\"o}nnen, wurden die synthetisierten Aerogele thermisch mit mehreren Meßmethoden unter unterschiedlichen Bedingungen charakterisiert. Temperaturabh{\"a}ngige Messungen der spezifischen W{\"a}rmekapazit{\"a}t cp im Bereich von 32°C bis 1500°C ergaben f{\"u}r C-Aerogele verglichen mit den Literaturdaten von Graphit einen {\"a}hnlichen Verlauf. Allerdings steigt cp etwas schneller mit der Temperatur an, was auf eine „weichere" Struktur hindeutet. Die maximale Abweichung betr{\"a}gt etwa 11\%. Messungen an einer Serie morphologisch identischer Aerogelproben, die im Temperaturbereich zwischen 800°C und 2500°C pyrolysiert bzw. gegl{\"u}ht wurden, ergeben eine Zunahme der Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit mit der Behandlungstemperatur um etwa einen Faktor 8. Stickstoffsorptions-, XRD-, Raman- und SAXS-Messungen an diesen Proben zeigen, dass dieser Effekt wesentlich durch das Wachstum der graphitischen Bereiche (Mikrokristallite) innerhalb der Prim{\"a}rpartikel des Aerogels bestimmt wird. Berechnungen auf Basis von Messungen der Temperaturleitf{\"a}higkeit weisen außerdem auch auf Ver{\"a}nderungen der Mikrokristallite hin. Gasdruckabh{\"a}ngige Messungen der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit und der Vergleich zwischen Messungen unter Vakuum und unter Normaldruck an verschiedenen Aerogelmorphologien liefern Aussagen {\"u}ber den Gasanteil der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit. Dabei zeigt sich, dass sich der Gasanteil der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit in den Poren des Aerogels verglichen mit dem freien Gas durch die geeignete mittlere Porengr{\"o}ße erwartungsgem{\"a}ß erheblich verringern l{\"a}sst. Diese Ergebnisse stimmen in Rahmen der Messunsicherheit mit der Theorie {\"u}berein. Durch infrarot-optische Messungen an C-Aerogelen konnte der Extinktionskoeffizient bestimmt und daraus der entsprechende Beitrag der W{\"a}rmestrahlung zur W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit berechnet werden. Temperaturabh{\"a}ngige Messungen der thermischen Diffusivit{\"a}t erlaubten mit der zur Verf{\"u}gung stehenden Laser-Flash Apparatur die Bestimmung der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit bis zu Temperaturen von 1500°C. Die Temperaturabh{\"a}ngigkeit der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der C-Aerogele zeigt eine Charakteristik, die mit den separat gemessenen bzw. berechneten Beitr{\"a}gen zur W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit und der Theorie im Rahmen der Messunsicherheit gut {\"u}bereinstimmen. Auf der Basis der gewonnenen Messdaten ist es m{\"o}glich, die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit von Aerogelen f{\"u}r Anwendungen {\"u}ber die maximale Messtemperatur von 1500°C durch Extrapolation vorherzusagen. Die niedrigste W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten C-Aerogele betr{\"a}gt danach etwa 0,17 W/(m•K) bei 2500°C unter Argonatmosph{\"a}re. Kommerziell erh{\"a}ltliche Hochtemperatur-W{\"a}rmed{\"a}mmstoffe, wie z. B. Kohlefaserfilze oder Kohlenstoffsch{\"a}ume weisen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten im Bereich von etwa 0,7 bis 0,9 W/(m•K) bei einer Temperatur von 2000°C auf. Die Messungen zeigen, dass die vergleichsweise niedrigen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten von C-Aerogelen bei hohen Temperaturen durch die Unterdr{\"u}ckung des Gas- und Strahlungsbeitrags der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit bedingt sind.},
  subject      = {Hochtemperatur},
  language  = {de}
}