@phdthesis{Swimm2017,
  author    = {Swimm, Katrin},
  title     = {Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur gasdruckabh{\"a}ngigen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit von por{\"o}sen Materialien},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-153887},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Als W{\"a}rmed{\"a}mmstoffe werden {\"u}blicherweise makropor{\"o}se Stoffsysteme wie Sch{\"a}ume, Pul-versch{\"u}ttungen, Faservliese und - wolle eingesetzt. Zus{\"a}tzlich finden mikro- und mesopor{\"o}se D{\"a}mmstoffe wie Aerogele Anwendung. Um effiziente W{\"a}rmed{\"a}mmstoffe entwickeln zu k{\"o}nnen, muss der Gesamtw{\"a}rmetransport in por{\"o}sen Materialien verstanden werden. Die ein-zelnen W{\"a}rmetransport-Mechanismen Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitung, Gasw{\"a}rmeleitung und W{\"a}rme-strahlung k{\"o}nnen zuverl{\"a}ssig analytisch beschrieben werden. Bei manchen por{\"o}sen Materialien liefert jedoch auch eine Wechselwirkung zwischen den verschiedenen W{\"a}rmetransport-Mechanismen, d.h. die Kopplung von Festk{\"o}rper- und Gasw{\"a}rmeleitung, einen hohen Beitrag zur Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit. Wie hoch dieser Kopplungseffekt bei einer bestimmten Probe ausf{\"a}llt, kann bisher schwer abgesch{\"a}tzt werden. Um den Kopplungseffekt von Festk{\"o}rper- und Gasw{\"a}rmeleitung besser zu verstehen, sind sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen an verschiedenen por{\"o}sen Stoffsystemen erforderlich. Zus{\"a}tzlich kann ein zuverl{\"a}ssiges theoretisches Modell dazu beitragen, die mittlere Porengr{\"o}ße von por{\"o}sen Mate-rialien zerst{\"o}rungsfrei anhand von gasdruckabh{\"a}ngigen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsmessungen zu bestimmen. Als Modellsystem f{\"u}r die experimentellen Untersuchungen wurde der hochpor{\"o}se Feststoff Aerogel verwendet, da seine strukturellen Eigenschaften wie Porengr{\"o}ße und Dichte w{\"a}hrend der Synthese gut eingestellt werden k{\"o}nnen. Es wurden Resorcin-Formaldehyd-Aerogele mit mittleren Porengr{\"o}ßen von etwa 600 nm, 1 µm und 8 µm sowie daraus mittels Pyrolyse abge-leitete Kohlenstoff-Aerogele synthetisiert und jeweils hinsichtlich ihrer Struktur und W{\"a}rme-leitf{\"a}higkeiten experimentell charakterisiert. Die Gesamtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten dieser Aerogele wurden f{\"u}r verschiedene Gasatmosph{\"a}ren (Kohlenstoffdioxid, Argon, Stickstoff und Helium) in Abh{\"a}ngigkeit vom Gasdruck durch das Hitzdraht-Verfahren bestimmt. Hierf{\"u}r wurde der Messbereich der Hitzdraht-Apparatur des ZAE Bayern mittels einer Druckzelle auf 10 MPa erweitert. Die Messergebnisse zeigen, dass bei allen Aerogel-Proben Festk{\"o}rper- und Gasw{\"a}r-meleitung einen deutlichen Kopplungsbeitrag liefern: Die gemessenen gasdruckabh{\"a}ngigen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten sind um Faktor 1,3 bis 3,3 h{\"o}her als die entsprechenden reinen Gas-w{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten. Die jeweilige H{\"o}he h{\"a}ngt sowohl vom verwendeten Gas (Gasw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit) als auch vom Aerogeltyp (Festk{\"o}rperw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit und Festk{\"o}rperstruktur) ab. Ein stark vernetzter Festk{\"o}rper verursacht beispielsweise einen niedrigeren Kopplungsbei-trag als ein weniger stark vernetzter Festk{\"o}rper. Andererseits wurde die gasdruckabh{\"a}ngige W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit von Melaminharzschaum - einem flexiblen, offenporigen und hochpor{\"o}sen Material - in einer evakuierbaren Zwei-Plattenapparatur unter Stickstoff-Atmosph{\"a}re bestimmt. Das Material zeichnet sich dadurch aus, dass die Addition der Einzelw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten gut erf{\"u}llt ist, d.h. kein Kopplungsef-fekt auftritt. Allerdings konnte gezeigt werden, dass die gestauchte und damit unregelm{\"a}ßige Struktur von Melaminharzschaum die Kopplung von Festk{\"o}rper- und Gasw{\"a}rmeleitung deut-lich beg{\"u}nstigt. Je st{\"a}rker die Melaminharzschaumprobe komprimiert wird, umso st{\"a}rker f{\"a}llt der Kopplungseffekt aus. Bei einer Kompression um 84 \% ist beispielsweise die gemessene gasdruckabh{\"a}ngige W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit bei 0,1 MPa um ca. 17 \% gegen{\"u}ber der effektiven W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit von freiem Stickstoff erh{\"o}ht. Die experimentellen Untersuchungen wurden durch theoretische Betrachtungen erg{\"a}nzt. Zum einen wurde die Kopplung von Festk{\"o}rper- und Gasw{\"a}rmeleitung anhand einer Serienschal-tung der thermischen Widerst{\"a}nde von Festk{\"o}rper- und Gasphase dargestellt, um die Abh{\"a}n-gigkeit von verschiedenen Parametern zu untersuchen. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der Kopplungsterm stets von den Verh{\"a}ltnissen aus Festk{\"o}rper- und Gasw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit sowie aus den geometrischen Parametern beider Phasen abh{\"a}ngt. Des Weiteren wurden mit dem Computerprogramm HEAT2 Finite-Differenzen-Simulationen an Modellstrukturen durchgef{\"u}hrt, die f{\"u}r por{\"o}se Stoffsysteme, insbesondere Aerogel, charakteristisch sind (Stege, H{\"a}lse, Windungen und tote Enden). Die simulierten gasdruckabh{\"a}ngigen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten zeigen deutlich, dass die Festk{\"o}rperstruktur mit der geringsten Vernetzung, d.h. das tote Ende, am meisten zur Kopplung von Festk{\"o}rper- und Gasw{\"a}rmeleitung beitr{\"a}gt. Dies korre-liert mit den experimentellen Ergebnissen. Dar{\"u}ber hinaus kann man erkennen, dass die Ge-samtw{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit eines schlecht vernetzten por{\"o}sen Systems, wo also ein hoher Kopp-lungseffekt (Serienschaltung) auftritt, niemals gr{\"o}ßer wird als die eines gut vernetzten Sys-tems mit gleicher Porosit{\"a}t, wo haupts{\"a}chlich paralleler W{\"a}rmetransport durch beide Phasen stattfindet. Schließlich wurden drei Modelle entwickelt bzw. modifiziert, um die gasdruckabh{\"a}ngige W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit von por{\"o}sen Stoffsystemen theoretisch beschreiben zu k{\"o}nnen. Zun{\"a}chst wurde ein f{\"u}r Kugelsch{\"u}ttungen entwickeltes Modell f{\"u}r Aerogel angepasst, d.h. Kopplung von Festk{\"o}rper- und Gasw{\"a}rmeleitung wurde nur in den L{\"u}cken zwischen zwei benachbarten Partikeln ber{\"u}cksichtigt. Ein Vergleich mit den Messkurven zeigt, dass der ermittelte Kopplungsterm zu gering ausf{\"a}llt. Daher wurde ein bereits existierendes Aerogelmodell mit kubischer Einheitszelle, welches zus{\"a}tzlich Kopplung zwischen den einzelnen Partikelstr{\"a}ngen beinhaltet, verbessert. Auch dieses Modell liefert keine zufriedenstellende {\"U}bereinstimmung mit den Messwerten, denn der Kopplungsbeitrag wird immer noch untersch{\"a}tzt. Das liegt daran, dass die gew{\"a}hlte regelm{\"a}ßige kubische Struktur f{\"u}r Aerogel zu ungenau ist. So geht bei der Berechnung des Kopplungsterms der bereits erw{\"a}hnte hohe Beitrag durch tote Enden (und auch Windungen) verloren. Erfahrungsgem{\"a}ß k{\"o}nnen jedoch alle f{\"u}r Aerogel erhaltenen gasdruckabh{\"a}ngigen Messkurven mit dem sogenannten Skalierungsmodell relativ gut beschrieben werden. Das entspricht dem Knudsen-Modell f{\"u}r reine Gasw{\"a}rmeleitung, welches mit einem konstanten Faktor skaliert wird. Die Anwendung dieses einfachen Modells auf die Messdaten hat gezeigt, dass die Akkommodationskoeffizienten von Helium in Aerogel deut-lich h{\"o}her sind als die Literaturwerte (ca. 0,3 auf Metalloberfl{\"a}chen): In den vermessenen RF- und Kohlenstoff-Aerogelen lassen sich Akkommodationskoeffizienten nahe 1 f{\"u}r Helium ab-leiten. Dar{\"u}ber hinaus ist das Skalierungsmodell gut geeignet, die mittleren Porengr{\"o}ßen por{\"o}ser Materialien zuverl{\"a}ssig aus gasdruckabh{\"a}ngig gemessenen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitskurven zu bestimmen. Dies stellt somit eine unkomplizierte und zerst{\"o}rungsfreie Charakterisierungsmethode dar.},
  subject      = {W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Wolf2015,
  author    = {Wolf, Nadine},
  title     = {Synthese, Charakterisierung und Modellierung von klassischen Sol-Gel- und Nanopartikel-Funktionsschichten auf der Basis von Zinn-dotiertem Indiumoxid und Aluminium-dotiertem Zinkoxid},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-112416},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Das Ziel dieser Arbeit ist neben der Synthese von Sol-Gel-Funktionsschichten auf der Basis von transparent leitf{\"a}higen Oxiden (transparent conducting oxides, TCOs) die umfassende infrarotoptische und elektrische Charakterisierung sowie Modellierung dieser Schichten. Es wurden sowohl {\"u}ber klassische Sol-Gel-Prozesse als auch {\"u}ber redispergierte Nanopartikel-Sole spektralselektive Funktionsschichten auf Glas- und Polycarbonat-Substraten appliziert, die einen m{\"o}glichst hohen Reflexionsgrad im infraroten Spektralbereich und damit einhergehend einen m{\"o}glichst geringen Gesamtemissionsgrad sowie einen niedrigen elektrischen Fl{\"a}chenwiderstand aufweisen. Zu diesem Zweck wurden dotierte Metalloxide, n{\"a}mlich einerseits Zinn-dotiertes Indiumoxid (tin doped indium oxide, ITO) und andererseits Aluminium-dotiertes Zinkoxid (aluminum doped zinc oxide, AZO)verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vertieft verschiedene Parameter untersucht, die bei der Pr{\"a}paration von niedrigemittierenden ITO- und AZO-Funktionsschichten im Hinblick auf die Optimierung ihrer infrarot-optischen und elektrischen Eigenschaften sowie ihrer Transmission im sichtbaren Spektralbereich von Bedeutung sind. Neben der Sol-Zusammensetzung von klassischen Sol-Gel-ITO-Beschichtungsl{\"o}sungen wurden auch die Beschichtungs- und Ausheizparameter bei der Herstellung von klassischen Sol-Gel-ITO- sowie -AZO-Funktionsschichten charakterisiert und optimiert. Bei den klassischen Sol-Gel- ITO-Funktionsschichten konnte als ein wesentliches Ergebnis der Arbeit der Gesamtemissionsgrad um 0.18 auf 0.17, bei in etwa gleichbleibenden visuellen Transmissionsgraden und elektrischen Fl{\"a}chenwiderst{\"a}nden, reduziert werden, wenn anstelle von (optimierten) Mehrfach-Beschichtungen Einfach-Beschichtungen mit einer schnelleren Ziehgeschwindigkeit anhand des Dip-Coating-Verfahrens hergestellt wurden. Mit einer klassischen Sol-Gel-ITO-Einfach-Beschichtung, die mit einer deutlich erh{\"o}hten Ziehgeschwindigkeit von 600 mm/min gedippt wurde, konnte mit einem Wert von 0.17 der kleinste Gesamtemissionsgrad dieser Arbeit erzielt werden. Die Gesamtemissionsgrade und elektrischen Fl{\"a}chenwiderst{\"a}nde von klassischen Sol-Gel-AZOFunktionsschichten konnten mit dem in dieser Arbeit optimierten Endheizprozess deutlich gesenkt werden. Bei Neunfach-AZO-Beschichtungen konnten der Gesamtemissionsgrad um 0.34 auf 0.50 und der elektrische Fl{\"a}chenwiderstand um knapp 89 \% auf 65 Ω/sq verringert werden. Anhand von Hall-Messungen konnte dar{\"u}ber hinaus nachgewiesen werden, dass mit dem optimierten Endheizprozess, der eine erh{\"o}hte Temperatur w{\"a}hrend der Reduzierung der Schichten aufweist, mit N = 4.3·1019 cm-3 eine etwa doppelt so hohe Ladungstr{\"a}gerdichte und mit µ = 18.7 cm2/Vs eine etwa drei Mal so große Beweglichkeit in den Schichten generiert wurden, im Vergleich zu jenen Schichten, die nach dem alten Endheizprozess ausgeh{\"a}rtet wurden. Das deutet darauf hin, dass bei dem optimierten Heizschema sowohl mehr Sauerstofffehlstellen und damit eine h{\"o}here Ladungstr{\"a}gerdichte als auch Funktionsschichten mit einem h{\"o}heren Kristallisationsgrad und damit einhergehend einer h{\"o}heren Beweglichkeit ausgebildet werden. Ein Großteil der vorliegenden Arbeit behandelt die Optimierung und Charakterisierung von ITO-Nanopartikel-Solen bzw. -Funktionsschichten. Neben den verwendeten Nanopartikeln, dem Dispergierungsprozess, der Beschichtungsart sowie der jeweiligen Beschichtungsparameter und der Nachbehandlung der Funktionsschichten, wurde erstmals in einer ausf{\"u}hrlichen Parameterstudie die Sol-Zusammensetzung im Hinblick auf die Optimierung der infrarot-optischen und elektrischen Eigenschaften der applizierten Funktionsschichten untersucht. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der verwendeten Stabilisatoren sowie der verwendeten L{\"o}sungsmittel auf die Schichteigenschaften charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird dargelegt, dass die exakte Zusammensetzung der Nanopartikel-Sole einen große Rolle spielt und die Wahl des verwendeten L{\"o}sungsmittels im Sol einen gr{\"o}ßeren Einfluss auf den Gesamtemissionsgrad und die elektrischen Fl{\"a}chenwiderst{\"a}nde der applizierten Schichten hat als die Wahl des verwendeten Stabilisators. Allerdings wird auch gezeigt, dass keine pauschalen Aussagen dar{\"u}ber getroffen werden k{\"o}nnen, welcher Stabilisator oder welches L{\"o}sungsmittel in den Nanopartikel-Solen zu Funktionsschichten mit kleinen Gesamtemissionsgraden und elektrischen Fl{\"a}chenwiderst{\"a}nden f{\"u}hrt. Stattdessen muss jede einzelne Kombination von verwendetem Stabilisator und L{\"o}sungsmittel empirisch getestet werden, da jede Kombination zu Funktionsschichten mit anderen Eigenschaften f{\"u}hrt. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals stabile AZO-Nanopartikel-Sole {\"u}ber verschiedene Rezepte hergestellt werden. Neben der Optimierung und Charakterisierung von ITO- und AZO- klassischen Sol-Gel- sowie Nanopartikel-Solen und -Funktionsschichten wurden auch die infrarot-optischen Eigenschaften dieser Schichten modelliert, um die optischen Konstanten sowie die Schichtdicken zu bestimmen. Dar{\"u}ber hinaus wurden auch kommerziell erh{\"a}ltliche, gesputterte ITO- und AZO-Funktionsschichten modelliert. Die Reflexionsgrade dieser drei Funktionsschicht-Typen wurden einerseits ausschließlich mit dem Drude-Modell anhand eines selbstgeschriebenen Programmes in Sage modelliert, und andererseits mit einem komplexeren Fit-Modell, welches in der kommerziellen Software SCOUT aus dem erweiterten Drude-Modell, einem Kim-Oszillator sowie dem OJL-Modell aufgebaut wurde. In diesem Fit-Modell werden auch die Einfl{\"u}sse der Glas-Substrate auf die Reflexionsgrade der applizierten Funktionsschichten ber{\"u}cksichtigt und es k{\"o}nnen die optischen Konstanten sowie die Dicken der Schichten ermittelt werden. Dar{\"u}ber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Ellipsometer installiert und geeignete Fit-Modelle entwickelt, anhand derer die Ellipsometer-Messungen ausgewertet und die optischen Konstanten sowie Schichtdicken der pr{\"a}parierten Schichten bestimmt werden k{\"o}nnen.},
  subject      = {Transparent-leitendes Oxid},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Weigold2015,
  author    = {Weigold, Lena},
  title     = {Ermittlung des Zusammenhangs zwischen mechanischer Steifigkeit und W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st bei hochpor{\"o}sen Materialien},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-124806},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit ist es, ein verbessertes Verst{\"a}ndnis f{\"u}r den Zusammenhang zwischen mechanischer Steifigkeit und W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st bei hochpor{\"o}sen Materialien zu erlangen. Im Fokus dieser Arbeit steht die Fragestellung, wie mechanische Steifigkeit und W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit bei hochpor{\"o}sen Materialien miteinander zusammenh{\"a}ngen und ob es m{\"o}glich ist, diese beiden Eigenschaften durch geometrische Modifikationen der Mikrostruktur unabh{\"a}ngig voneinander zu ver{\"a}ndern. Die durchgef{\"u}hrten Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Großteil der mikrostrukturellen Modifikationen beide Materialeigenschaften beeinflussen und die mechanische Steifigkeit in der Regel eng mit dem W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st verkn{\"u}pft ist. Es konnte jedoch auch nachgewiesen werden, dass die mechanische Steifigkeit bei hochpor{\"o}sen Materialien nicht eindeutig mit dem W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st zusammenh{\"a}ngt und spezifische mikrostrukturelle Modifikationen einen st{\"a}rkeren Einfluss auf die mechanische Steifigkeit besitzen, als auf den W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st. Umgekehrt ist diese Aussage nicht ganz so eindeutig. Die theoretische Betrachtung des Zusammenhangs zeigt, dass in die Berechnung der mechanischen Steifigkeit teils andere geometrische Strukturgr{\"o}ßen einfließen, als in die Berechnung des W{\"a}rmetransports {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st, so dass die mechanische Steifigkeit unabh{\"a}ngig von der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit ver{\"a}ndert werden kann. Es zeigt sich jedoch auch, dass die meisten strukturellen Ver{\"a}nderungen beide Eigenschaften beeinflussen und die mechanische Steifigkeit aufgrund der Biegedeformation der Netzwerkelemente systematisch st{\"a}rker auf strukturelle Ver{\"a}nderungen reagiert als die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der Struktur, so dass die mechanische Steifigkeit in der Regel quadratisch mit der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit des Festk{\"o}rperger{\"u}stes skaliert. Mit den Methoden der effective-media-theory lassen sich Grenzen ermitteln, innerhalb derer sich mechanische Steifigkeit und W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit unabh{\"a}ngig voneinander variieren lassen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden Probenserien von Polyurethan-Sch{\"a}umen, Polyurea Aerogelen und organisch / anorganischen Hybrid Aerogelen herangezogen, so dass por{\"o}se Materialien mit geordneten, voll vernetzten Mikrostrukturen, mit statistisch isotropen, teilvernetzen Mikrostrukturen, sowie Mikrostrukturen mit anisotropen Charakter in die Untersuchung einbezogen werden konnten. Als Struktureigenschaften, die die mechanische Steifigkeit ungew{\"o}hnlich stark beeinflussen, konnten die Regelm{\"a}ßigkeit der Struktur und der Kr{\"u}mmungsradius der Netzwerkelemente sicher identifiziert werden. Alle weiteren strukturellen Ver{\"a}nderungen f{\"u}hren zu dem ann{\"a}hernd quadratischen Zusammenhang. In einem dritten Abschnitt dieser Arbeit wird das vereinfachte Phononendiffusionsmodell herangezogen, um den Zusammenhang zwischen mechanischer Steifigkeit und W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st bei Aerogelen grundlagenphysikalisch zu modellieren. Zur Diskussion werden die experimentell ermittelten Eigenschaften der isotropen Polyurea Aerogele herangezogen und eine qualitative Modellierung ihrer Schwingungszustandsdichten durchgef{\"u}hrt. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination aus Probendichte und Schallgeschwindigkeit, mit der sich die mechanische Steifigkeit berechnen l{\"a}sst, unter bestimmten Randbedingungen auch die Energie und Transporteigenschaften der Phononen beschreibt, die den W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st bei Aerogelen bestimmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich zum Beispiel heranziehen, um die Eigenschaften hochpor{\"o}ser Materialien f{\"u}r eine gegebene Anwendung durch mikrostrukturelle Modifikationen optimal zu gestalten.},
  subject      = {Por{\"o}ser Stoff},
  language  = {de}
}