@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}
}
@phdthesis{Brendel2018,
  author    = {Brendel, Harald},
  title     = {W{\"a}rmetransport in keramischen Faserisolationen bei hohen Temperaturen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-157917},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Das Ziel dieser Arbeit ist eine umfassende numerische und experimentelle Charakterisierung des W{\"a}rmetransports in oxidkeramischen Faserisolationen im Hochtemperaturbereich. Zugleich sollen neue Konzepte f{\"u}r eine optimierte technische Auslegung von Faserisolationen erarbeitet werden. Oxidkeramiken zeigen im Infrarotbereich ein semitransparentes Verhalten. Das bedeutet, ein Teil der Strahlung gelangt durch die Probe, ohne gestreut oder absorbiert zu werden. Durch die Ausgestaltung als disperses Medium mit Abmessungen der Fasern im \$\mu m\$ Bereich wird jedoch eine starke Wechselwirkung mit infraroter Lichtstrahlung erzeugt. Man befindet sich im optischen Resonanzbereich. Technisch relevante Faserisolationen besitzen eine Rohdichte zwischen \$50 \mathrm{kg/m^3}\$ und \$700 \mathrm{kg/m^3}\$ und k{\"o}nnen als optisch dichtes Medium betrachtet werden. Eine Optimierung hinsichtlich der D{\"a}mmwirkung gegen W{\"a}rmestrahlung bedeutet eine massenspezifische Maximierung des Lichtstreuverm{\"o}gens im relevanten Wellenl{\"a}ngenbereich. Hierzu werden in einer numerischen Studie keramische Hohlfaserisolationen mit konventionellen Fasern verglichen. Diese Abhandlung unter Ber{\"u}cksichtigung anwendungsnaher Aspekte gelangt zu der Schlussfolgerung, dass die Strahlungsw{\"a}rmestromdichte in Hohlfaserisolationen, im Vergleich zu konventionellen Isolationen, signifikant erniedrigt wird. Hinsichtlich der Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit ist eine Reduzierung um den Faktor zwei zu erwarten. \\ Trotz moderner Rechner ist die Anwendung der vollen Maxwellschen Streutheorie, insbesondere im Rahmen von Optimierungsaufgaben mehrschichtiger Streuk{\"o}rper, ein zeitaufwendiges Unterfangen. Um sinnvolle Parameterkonfigurationen bereichsweise eingrenzen zu k{\"o}nnen, wird eine N{\"a}herungsmethode f{\"u}r die Lichtstreuung an mehrschichtigen Zylindern weiterentwickelt und mit der vollst{\"a}ndigen Maxwellschen Streutheorie verglichen. Es zeigt sich, dass das Modell f{\"u}r kleine bis moderate Brechungsindizes sehr gute Vorhersagekraft besitzt und auch zur n{\"a}herungsweisen Berechnung der Streueffizienzen f{\"u}r r{\"a}umlich isotrop angeordnete Zylinder herangezogen werden kann. \\ Neben den numerischen Studien wird im experimentellen Teil dieser Arbeit eine kommerzielle Faserisolierung aus Aluminiumoxid hinsichtlich ihrer W{\"a}rmetransporteigenschaften charakterisiert. Die optischen Transportparameter Albedo und Extinktion werden mittels etablierter Messmethoden bestimmt. Bei bekannter Faserdurchmesserverteilung k{\"o}nnen diese Messwerte dann mit den theoretischen Vorhersagen der Maxwellschen Streutheorie verglichen werden.\\ Um technische Optimierungsmaßnahmen experimentell zu verifizieren, besteht die Notwendigkeit, die Temperaturleitf{\"a}higkeit bzw. die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit auch bei hohen Temperaturen oberhalb von \$1000^\mathrm{o}\mathrm{C}\$ zuverl{\"a}ssig bestimmen zu k{\"o}nnen. Zu diesem Zweck wird ein Versuchsaufbau realisiert, um in diesem Temperaturbereich erstmals die sogenannte Thermal-Wave-Analyse anzuwenden. Durch Abgleich mit einem gekoppelten W{\"a}rmetransportmodell und einem etablierten Messverfahren wird die besondere Eignung der Thermal-Wave-Analyse f{\"u}r ber{\"u}hrungsfreie Hochtemperaturmessungen gezeigt.},
  subject      = {W{\"a}rme{\"u}bertragung},
  language  = {de}
}