TY - THES A1 - Weigold, Lena T1 - Ermittlung des Zusammenhangs zwischen mechanischer Steifigkeit und Wärmetransport über das Festkörpergerüst bei hochporösen Materialien T1 - Correlation between elasticity and heat transport along the solid framework in the case of highly porous materials N2 - Ziel dieser Arbeit ist es, ein verbessertes Verständnis für den Zusammenhang zwischen mechanischer Steifigkeit und Wärmetransport über das Festkörpergerüst bei hochporösen Materialien zu erlangen. Im Fokus dieser Arbeit steht die Fragestellung, wie mechanische Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit bei hochporösen Materialien miteinander zusammenhängen und ob es möglich ist, diese beiden Eigenschaften durch geometrische Modifikationen der Mikrostruktur unabhängig voneinander zu verändern. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Großteil der mikrostrukturellen Modifikationen beide Materialeigenschaften beeinflussen und die mechanische Steifigkeit in der Regel eng mit dem Wärmetransport über das Festkörpergerüst verknüpft ist. Es konnte jedoch auch nachgewiesen werden, dass die mechanische Steifigkeit bei hochporösen Materialien nicht eindeutig mit dem Wärmetransport über das Festkörpergerüst zusammenhängt und spezifische mikrostrukturelle Modifikationen einen stärkeren Einfluss auf die mechanische Steifigkeit besitzen, als auf den Wärmetransport über das Festkörpergerüst. Umgekehrt ist diese Aussage nicht ganz so eindeutig. Die theoretische Betrachtung des Zusammenhangs zeigt, dass in die Berechnung der mechanischen Steifigkeit teils andere geometrische Strukturgrößen einfließen, als in die Berechnung des Wärmetransports über das Festkörpergerüst, so dass die mechanische Steifigkeit unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit verändert werden kann. Es zeigt sich jedoch auch, dass die meisten strukturellen Veränderungen beide Eigenschaften beeinflussen und die mechanische Steifigkeit aufgrund der Biegedeformation der Netzwerkelemente systematisch stärker auf strukturelle Veränderungen reagiert als die Wärmeleitfähigkeit der Struktur, so dass die mechanische Steifigkeit in der Regel quadratisch mit der Wärmeleitfähigkeit des Festkörpergerüstes skaliert. Mit den Methoden der effective-media-theory lassen sich Grenzen ermitteln, innerhalb derer sich mechanische Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit unabhängig voneinander variieren lassen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden Probenserien von Polyurethan-Schäumen, Polyurea Aerogelen und organisch / anorganischen Hybrid Aerogelen herangezogen, so dass poröse 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 ungewöhnlich stark beeinflussen, konnten die Regelmäßigkeit der Struktur und der Krümmungsradius der Netzwerkelemente sicher identifiziert werden. Alle weiteren strukturellen Veränderungen führen zu dem annähernd quadratischen Zusammenhang. In einem dritten Abschnitt dieser Arbeit wird das vereinfachte Phononendiffusionsmodell herangezogen, um den Zusammenhang zwischen mechanischer Steifigkeit und Wärmetransport über das Festkörpergerüst bei Aerogelen grundlagenphysikalisch zu modellieren. Zur Diskussion werden die experimentell ermittelten Eigenschaften der isotropen Polyurea Aerogele herangezogen und eine qualitative Modellierung ihrer Schwingungszustandsdichten durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination aus Probendichte und Schallgeschwindigkeit, mit der sich die mechanische Steifigkeit berechnen lässt, unter bestimmten Randbedingungen auch die Energie und Transporteigenschaften der Phononen beschreibt, die den Wärmetransport über das Festkörpergerüst bei Aerogelen bestimmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich zum Beispiel heranziehen, um die Eigenschaften hochporöser Materialien für eine gegebene Anwendung durch mikrostrukturelle Modifikationen optimal zu gestalten. N2 - The objective of this thesis is to gain a fundamental understanding for the correlation between mechanical stiffness and heat transport along the solid framework in highly porous materials. This study focuses on the question, whether the elastic modulus of the structure or the solid phase thermal conductivity can be changed without affecting the other property. The performed investigation has shown that micro-structural modifications usually have an effect on both, the elastic modulus and the solid phase thermal conductivity, respectively and that these properties are strongly correlated in highly porous materials. However, at the physical level, the elastic modulus is not explicitly correlated to the heat transport along the solid framework. It was possible to identify some individual geometrical aspects that have a superior impact on the elastic modulus but only influence the thermal conductivity in a certain degree. Vice versa, geometrical aspects that only affect the heat transport along the solid phase could not be clearly identified. Structural modeling of highly ordered and of statistically isotropic porous materials is considered for a theoretical correlation between mechanical stiffness and heat transport along the solid framework in highly porous materials. Correlation is furthermore derived without taking into account any structural information. Structural modeling shows that different structural parameters are required to calculate the mechanical stiffness and the heat transport along the solid framework of a porous material, which allows for a structural decoupling of these two properties. However, most of the time, a quadratic correlation between elastic modulus and solid phase thermal conductivity is found within the models, because mechanical stiffness systematically reacts more sensitive to structural changes as the network elements are bended under mechanical load. With the help of the effective-media-theory a lower and upper bound can be derived for possible pair-combinations between material stiffness and solid phase thermal conductivity. For the experimental study of this topic polyurethane foams, polyurea aerogels and organic-anorganic hybrid aerogels are chosen as sample systems. Herewith, the study includes materials of regular, fully connected microstructures, isotropic, partly connected microstructures and anisotropic microstructures. Despite substantial structural changes, elastic modulus scales approximately quadratic with the solid phase thermal conductivity in most of the samples series investigated. Merely the overall modification of the structural regularity and the bending of the network elements up to high curvatures verifiably cause a deviation from the quadratic dependency. In a third section it is discussed, if a simplified model of phonon diffusion process can be used to derive a correlation between mechanical stiffness and heat transport in aerogels. For this study, experimentally derived results of polyurea aerogels and the qualitatively derived vibrational density of states of these materials are taken into account. Results show that the sound velocity and the density of the aerogel can be used to calculate both, mechanical stiffness and, meeting certain boundary conditions, also the energy and transport properties of the phonons that are responsible for the heat transport along the solid framework. Results may be used to design a porous material with optimal properties which are required for specific technical applications. KW - Poröser Stoff KW - Wärmeleitfähigkeit KW - Phonon KW - mechanische Steifigkeit KW - Mikrostruktur KW - porös KW - thermal conductivity KW - mechanical stiffness KW - microstructure KW - porous KW - Mikroporosität KW - Steifigkeit KW - Wärmeübertragung KW - Festkörperphysik Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124806 ER - TY - THES A1 - Waller, Tobias-Sebastian T1 - Messung der dynamischen Eigenschaften des Stapesringbandes T1 - Dynamic measurement of the circular stapes ligamentum using electrostatic forces N2 - Messungen am intakten Mittelohr sind wegen dessen Komplexität schwer zu interpretieren. Die deshalb naheliegende, alternative Untersuchung einzelner, isolierter Subsysteme bereitet Schwierigkeiten, weil die in der Technik üblichen Anregungsmethoden nicht für Massen von wenigen Milligramm ausgelegt sind. An der Hörschwelle wirken auf das Trommelfell winzige Kräfte von weniger als einem Nano-Newton. Solch kleine Kräfte lassen sich durch elektrostatische Anzeihung und Abstossung realisieren. Die elektrostatische Anregung zeichnet sich durch zwei besondere Vorteile aus. Erstens, sie erfolgt berührungsfrei und ergänzt daher in idealer Weise laservibrometrische Messungen, durch welche die Reaktionen des Systems ebenfalls berührungsfrei erfasst werden. Zweitens, die gleichzeitige Anwendung einer Gleich- und einer Wechselspannung erzeugt eine anregende Kraftkomponente die proportional zur Wechselspannung und vorteilhafterweise unabhängig von der anregenden Frequenz ist. Diese Methode eignet sich daher bestens für die Messung der Frequenzabhängigkeit von Übertragungsfunktionen. Als eine erste Anwendung wurde die Übertragungsfunktion im Bereich der Resonanz des isolierten, durch das Ringband im ovalen Fenster elastisch aufgehängten Stapes untersucht. Durch Anpassung der theoretischen Resonanzfunktion an die gemessenen Daten und Bestimmung der Stapesmasse durch Wiegen wurde die dynamische Steifigkeit des Ringbandes bestimmt. Die Werte streuen wie bei biologischen Systemen üblich in einem weiten Bereich. Der Mittelwert liegt bei 940 N/m, die Stanardabweichung bei 350 N/m. N2 - Experiments on a intact middle ear are hardly interpretable because of its complexity. Therefore it’s near to explore single, isolated subsystems. This proceeding itself is hard, because usual methods aren’t found to stimulate small masses of several milligramms. On the other side ossicular bones can be stimulated by minimal energies. The energy needed for moving the tympanic membrane at the hearing threshold is less then one Nano-Newton. Minimal energies as needed can be realized through the attracting and repelling electrostatic forces. Using electrostatic forces provides two major advantages. First, the transmission is free of any physical contact. This proceeding fullfills the same conditions as the Laser-Doppler-Vibrometry. The Measurements are free of any physical contact. Second, the simultaneous use of direct and alternating current generates a stimulating energy proportional to the alternating current. This energy is independent of the stimulating frequency used. This method suits specially for measuring the dependency of the transmission function to the stimulating frequency. As a first step the transmission function of the stapes was analysed in the range of resonance frequency. By fitting a calculated resonance function to the measured data and defining the mass of the stapedial bone the dynamic stiffness of the circular ligamentum was determined. The data spread as known of biological system in a wide range. The meridian is 940 N/m by a standard deviation of 350 N/m. KW - Stapes KW - Steifigkeit KW - elektrostatisch KW - Laser-Doppler-Vivrometer KW - stapes KW - stiffness KW - electrostatic KW - Laser-Doppler-Vibrometry Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-5982 ER -