The present work deals with the electrical properties of nanocomposite materials. Samples for the experiment are made of epoxy resin as a matrix and oxides TiO2, Al2O3, WO3, SiO2 as nanofillers in 0.5 and 1 percent performance. The experimental samples are measured in temperature and frequency dependence of relative permittivity, dissipation factor, rezistivity and are broken down by the influence of filler on the electrical properties of the polymer. Attention is also paid to the mechanical properties of nanocomposites.

The present master´s thesis deals with the electrical properties of nanocomposite materials. Samples for the experiment are made epoxi resin and oxides TiO2 and Al2O3 as nanofillers in different percent performace. The samples nanocomposites are measured temperature dependence of the resistivity inside, dissipation factor and relative permittivity. It discusses the effect of the filler on the resulting electrical properties of the polymer.

Der Einsatz von organischen Materialien, insbesondere von Polymeren, hat zahlreiche Vorteile gegenüber dem Einsatz klassischer Materialien in der Mikroelektronik. Zu diesen zählen Flexibilität, geringes Gewicht, Verarbeitbarkeit durch Verfahren aus Lösung bei Raumtemperatur ohne Notwendigkeit vakuumbasierter Prozesse zur Abscheidung und vieles mehr. Dies ermöglicht eine energie- und kosteneffiziente Herstellung elektronischer Bauteile wie organische Feldeffekttransistoren (OFETs) oder Leuchtdioden (OLEDs), welche durch Prozesse wie dem Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren nicht länger auf kleine Flächen begrenzt sind. Zur Herstellung polymerbasierter OFETs mit optimiertem Eigenschaftsprofil sind neben innovativen Halbleitern vor allem auch neue Dielektrika mit verbesserten elektrischen Eigenschaften erforderlich, zu deren Entwicklung die vorliegende Arbeit beitragen sollte. Das häufig verwendete Polymethylmethacrylat ist für den Einsatz als Gate-Dielektrikum für die organische und gedruckte Elektronik nur bedingt geeignet. Es zeigt einige Nachteile wie eine mangelnde Stabilität gegenüber bestimmten organischen Lösungsmitteln, was zu Quellung oder Anlösen des Dielektrikums während des Aufbringens weiterer Schichten führen kann. Durch Copolymerisation von Methylmethacrylat mit funktionalisierten Comonomeren sollten die Probleme gelöst und optimierte Methacrylat-Copolymere entwickelt werden. Die Copolymere wurden über freie radikalische sowie RAFT-Polymerisation synthetisiert. Allen gemeinsam sind vernetzbare Comonomere, um die Lösungsmittelstabilität zu verbessern und somit die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums zu erhöhen. Als Vernetzer wurden 4-Benzoylphenylmethacrylat (BPMA) oder Propargylmethacrylat (PgMA) gewählt. BPMA ist UV-vernetzbar, Copolymere mit PgMA können in Gegenwart von mehrfunktionalen Aziden wie 1,3,5-Tris(azidomethyl)benzen (TAMB) durch Click-Reaktion thermisch vernetzt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Erhöhung der relativen Permittivität des Dielektrikums zur Steigerung der Kapazität der dielektrischen Schicht, wodurch unter anderem die Betriebsspannung des Transistors reduziert werden kann. Dieses Ziel sollte durch Komposite mit BaTiO3-Nanopartikeln erreicht werden. Zusätzlich zur Steigerung der Permittivität kann dies durch Verringerung der Filmdicke realisiert werden, was jedoch vermehrt zu Leckströmen führen könnte. Neben den dielektrischen Materialeigenschaften spielt vor allem auch die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter eine wesentliche Rolle. Um die Interaktionen an dieser zu verbessern, wurden Comonomere mit selbstorganisierenden Seitenketten in die Polymerstruktur eingebracht. Die Kombination dieser Dielektrika mit chemisch angepassten Halbleitern mit vergleichbaren Seitenkettenfunktionalitäten soll dazu führen, dass die beiden Komponenten durch die Seitenketten verstärkt miteinander wechselwirken. Monomersynthesen sowie anschließende Copolymerisationen waren in hohen Ausbeuten und ausreichenden Molmassen bezüglich der Copolymere erfolgreich. Die strahleninduzierte Vernetzung konnte durch systematische Untersuchungen optimiert und die thermische Vernetzung bei moderaten Temperaturen nachgewiesen werden. Die Vernetzbarkeit von Copolymeren mit selbstorganisierenden Seitenketten erwies sich als gehindert. Hierfür wurde ein Vorschlag zur Erhöhung der Flexibilität der Vernetzerseitenkette unterbreitet. Für die Copolymere P(MMA/BPMA) und P(MMA/PgMA) konnten die Durchbruchfeldstärken in Folge der Vernetzung von < 0.3 MV/cm für PMMA auf bis zu mehr als 5 MV/cm gesteigert werden. BaTiO3-Nanopartikel konnten durch geeignete Methoden erfolgreich synthetisiert werden. Durch Variation der Reaktionsbedingungen war eine gezielte Steuerung der Primärpartikelgröße möglich. So wurden Partikel der Größe < 10 nm, 26 nm und 55 nm realisiert. Die Dispersion der Partikel in organischen Lösungsmitteln sowie in der Polymermatrix war stark abhängig von der Größe der Primärartikel, der Oberflächenmodifikation sowie der Neigung zur Agglomeration. Modifizierte Partikel mit einem Durchmesser < 10 nm konnten sehr gut in Lösungsmitteln wie auch in der Polymermatrix dispergiert werden (Abbildung 2). Eine Steigerung der relativen Permittivität der Nanokomposite blieb jedoch aufgrund der zu geringen Größe der Primärpartikel aus. Darüber hinaus wurden deutlich schlechtere Durchbruchfeldstärken beobachtet. Copolymere mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation sollten durch zwei Konzepte realisiert werden. Im ersten System führte die Polymerisation von x-[4-(4´-Cyanophenyl)phenoxy]alkylmethacrylaten mit Spacerlängen von x = 6 und x = 8 nur in Homopolymeren zu ausgeprägter Selbstorganisation. Copolymere mit 50 mol% waren weitgehend isotrop und wiesen zudem ungenügende dielektrische Eigenschaften auf. Das zweite System basiert auf semifluorierten Methacrylat-Copolymeren mit H10F10-Seitenketten (10 CH2- und 10 CF2-Gruppen). Diese zeigten schon ab einem Gehalt von circa 35 mol% gute Selbstorganisation und bildeten ein geordnetes alternierendes Schichtsystem aus Haupt- und Seitenketten im Bulk und in dünnen Filmen. Die dielektrischen Eigenschaften können mit denen bekannter fluorierter Polymerdielektrika wie CYTOP konkurrieren. Damit stehen die semifluorierten Copolymere zukunftsorientiert zur Kombination mit Halbleitern, welche die gleichen Seitenkettenfunktionalitäten tragen, bereit, um so durch starke Interaktionen zwischen Dielektrikum und Halbleiter die Grenzfläche zu optimieren. Mit thermisch vernetztem P(MMA/PgMA) konnten OFETs mit den Halbleitern Pentacen bzw. C60 erfolgreich hergestellt und vermessen werden. Beide Transistoren liefern gute und mit Literaturwerten vergleichbare Kenngrößen. Die Ladungsträgermobilitäten und Ion/Ioff-Verhältnisse betragen 0.3 cm²/Vs und 6.0x10^5 im Pentacen-basierten Transistor beziehungsweise 1.3 cm²/Vs und 4.4x10^5 im OFET mit dem Halbleiter C60. Damit konnte in dieser Arbeit die Steigerung der Durchbruchfeldstärke durch geeignete Vernetzung der Copolymere realisiert werden. Die thermische Vernetzung fand bei deutlich geringeren Temperaturen als zahlreiche in der Literatur beschriebene Reaktionen statt. Die Synthese und Modifizierung von BaTiO3-Nanopartikeln und auch die Bildung entsprechender PMMA-BaTiO3-Nanokomposite war erfolgreich, führte jedoch nicht wie erwartet zu einer Steigerung der relativen Permittivität der Dielektrika-Schichten. Vernetzbare und selbstorganisierende semifluorierte Methacrylat-Copolymere konnten polymerisiert und charakterisiert werden und stehen als innovative dielektrische Materialien für Untersuchungen in OFETs zur Verfügung. Das Copolymer P(MMA/PgMA) wurde zielführend in organischen Feldeffekttransistoren eingesetzt und führte zu guten elektrischen Eigenschaften der Bauteile.

Two-phase flow in porous media is an important subsurface process that has significant impacts on the global economy and environments. To study two-phase system in porous media, capillary pressure (Pc ), relative permeability (Kr), bulk electrical conductivity (σb) and bulk relative permittivity (εb) are often employed as characterization parameters. Interestingly, all of these parameters are functions of water saturation (S). However, the non-uniqueness in the Pc -S, Kr-S,σb-S and εb-S relationships pose considerable challenges in employing them for effective monitoring and control of the two-phase flow processes. In this work, laboratory scale experiments and numerical simulations were conducted to investigate the factors and conditions contributing to the non-uniqueness in the above relationships for silicone oil-water and supercritical CO2-water flow in porous media, with a special emphasis on geological carbon sequestration. Specifically, the dynamic capillary pressure effect, which indicates the dependence of the Pc - S relationship on the rate of change of saturation (αS/αt) during two-phase flow in porous media was investigated. Using a silicone oil-water system, the dynamic capillary pressure effect was quantified in term of the parameter named the dynamic coefficient, τ , and it was found to be dependent on the domain scale and the viscosity ratio of the two fluids. It was found that τ increases with the domain scale and the viscosity ratio. It is inversely affected by αS αt , which is related to the degree of resistance to the fluid motion, namely, viscosity. In almost all cases, τ was found to decrease monotonically with an increase in water saturation, S. An order increase in magnitude of τ was observed as the domain scale increases from 4cm scale to 8cm in height. A similar order of increase in τ was observed in the 12cm high domain scale. There is an order increase in the value of τ for the silicone oilwater system as the viscosity ratio increases from 200 to 500. For the supercritical CO2 (scCO2) and water system in porous media, the experiments and numerical simulations showed that τ increases with rising system temperature and decreasing porous media permeability. Dimensionless analysis of the silicone oil-water experimental results showed that by constructing non-dimensional groups of quantities expressing a relationship among different variables on which τ depends, it is possible to summarise the experimental results and determine their functional relationship. A generalised scaling relationship for τ was derived from the dimensionless analysis which was then validated against independent literature data. The exercise showed that the τ-S relationship obtained from the literature and the ii scaling relationship match reasonably well. This work also demonstrated the applicability of an artificial neural network (ANN) as an alternative computational platform for the prediction of the domain scale dependence of τ . The dependence of the Kr-S relationship on αS/αt was also investigated. The results showed that the Kr-S curve under dynamic flow condition is different from that under the quasi-static condition. Kr for water (Krw) increases with increasing water saturation and decreases with the increase in viscosity ratio while Kr for silicone oil (Krnw) increases with decreasing water saturation as well as with the increase in viscosity ratio. Also, Krw decreases while Krnw increases with the increasing boundary pressure. However, the εb-S and σb-S relationships were found to be independent of αS/αt for the scCO2-water system in carbonate and silicate porous media. Nevertheless, the εb and σb values decrease as the water saturation decreases in the two porous media samples. While εb decreases with increase in temperature in silica sand, the trend in the limestone showed a slight increase with temperature, especially at high water saturation. Also, the εb-S relationship is shown to be affected by pressure in silica sand increasing with the pressure of the domain. On the contrary, the σb-S relationship increases as the temperature increases with more significance at higher water saturation in the silica sand sample. This work further demonstrated the application of a membrane in the monitoring of the CO2 in geological sites used for carbon sequestration. Commercial silicone rubber coupled with a pressure transducer showed potential in the detection of CO2 leakage from geological sites. The response of the device in terms of the mass of permeated gas, permeability and gas flux were investigated for both CO2 and N2. In addition, the monitoring of potable water contamination in a shallow aquifer by the migrating or leaking of CO2 is demonstrated with the combination of the pH analysis, geoelectrical measurement techniques and the membrane-sensor system. Overall, the work in this PhD research demonstrated robust applications of two-phase systems'characterization parameters under different scenarios in the porous media. Implications of the findings in this work to the monitoring and control of two-phase systems in porous media are expatiated.

This diploma thesis deals with not-aged and thermally, electric and multistress aged slotted isolations dielectric properities experimental probing. Dutiny experiment is watched influence moisture on dielectric properties insulating materiále ISONOMŽNMN. Especially both two permitivity complex components are surveyed, in dependence on the frequency and the temperature changes during thermal, electric and multistress ageing. These characteristics are viewed in light of application the isolation in practice.

This master´s thesis deals with influence of mica content on the electrical properties of electrical insulating varnishes, particularly in the polyester resin Dolphon XL 2102. It focuses on diagnostic methods and testing the properties of electroinsulating varnishes. Examines the potential benefits of micronised mica in order to achieve better electrical insulation properties of the system compared to the matrix. The composite material consists of polyester resin Dolphon XL 2102, which is modified different mass percentage of micronized mica. The results of this project are frequency dependencies of real and imaginary parts of complex permitivity of varnish component.

Ce manuscrit se focalise sur l’effet de divers matériaux composites sur les différentes problématiques de compatibilité électromagnétique dans un véhicule automobile. Les modèles surfaciques des matériaux diélectriques sont validés en confrontant des résultats de mesures et de simulation de leurs permittivités. Ceux des matériaux conducteurs le sont en confrontant le modèle d’impédance de surface à un modèle filaire et en effectuant des mesures des simulations de paramètres S sur une structure majoritairement constituée par un matériau de ce type. Dans les deux cas, la technique de modélisation donne de bons résultats. L’évaluation de l’effet de ces matériaux sur les problématiques de CEM au niveau d’un véhicule est faite sur un démonstrateur qui intègre les équipements et les faisceaux embarqués dans un véhicule en les représentants par des monopôles et des fils conducteurs. L’évaluation des effets des différents matériaux composites sur les problématiques CEM est faite par mesure et simulation des couplages électromagnétiques à l’intérieur du démonstrateur et entre le démonstrateur et une antenne test. L’analyse des couplages électromagnétiques confirme que le modèle d’impédance de surface reproduit assez bien les comportements des matériaux composites étudiés. Concernant l’effet des matériaux composites sur les problématiques CEM au niveau d’un véhicule, cette étude mène à deux résultats majeurs du point de vue de la compatibilité électromagnétique. Le premier concerne l’usage des matériaux diélectriques qui augmente globalement la plupart des couplages mesurés de 5 dB à 30 dB. Le second porte sur le matériau conducteur étudié qui n’a quasiment aucun effet sur les différents couplages analysés en comparaison de la structure en acier. / The main concern of this thesis is the characterization of the impacts of some composite materials on the main electromagnetic compatibility issues in a vehicle. The surface models of the dielectric materials are validated by confronting their simulated and measured permittivity. The surface model of the studied conductive material is validated by confronting it to a wire model and by measuring and simulating the S parameters on a structure constituted by such a material. It appears in both cases of dielectric and conductive composite materials that the surface impedance modeling technique gives a good description of the materials. The analysis of the effects of these materials on the EMC issues within a vehicle is done by use of a demonstrator representing the car body. The different equipment and harnesses embedded in a vehicle are represented in the demonstrator by some wires and monopoles. The evaluation of the impact of the composite materials on the EMC issues is done by measuring and simulating the different couplings within the demonstrator and between the demonstrator and a test antenna. The analysis of the different couplings confirms that the surface impedance material modeling approach describes well the materials under test. Concerning the impact of the composite materials on the EMC issues at a vehicle level, this analysis fulfills two main results. The first one concerns the dielectric materials. Indeed the use of these materials increases the different coupling by a value varying between at least 5 dB to 30 dB. The second conclusion concerns the use of conductive composite materials. It appears that they have no effect on the different couplings in comparison to the full steel structure.

The repeated usage of frying oil is hazardous due to the degradation caused by chemical reactions, which happen while heating. The total polar compounds and the free fatty acids are the main two chemical parameters affected by frying. These parameters increase significantly with the use of oil for frying and are reported as reasons for causing serious illnesses like heart diseases. For this purpose, sensor systems for oil quality assessment are necessary. In fact, changes of the composition due to frying leads to variation of its dielectric parameters. This can be measured using a capacitive sensor and the measurement of its impedance change. The main challenge thereby is that the impedance changes are very small and stray capacitances have a big influence on the measurements. In this context, this work proposes a sensor system with high accuracy able to detect the small changes that occur in the resistance and capacitance under influence of stry capacitances. Theoretical and simulation studies are carried out for different cap acitive sensors as well as meas urement procedures of its cornp lex imp edance. The sensor should provide a high sensitivity to relative perrnittivity and the electrical conductiv ity, and at the same time a small size and a high reproducibility. Interdigital electrodes sensor with a suitable design fulfils all these requirements. A deep consideration of stray capacitances is needed to realize an accurate sensor system. For t hese reasons, the design of the measurement circuit is crucial within this work. We propose, a measurernent circuit based on a combinat ion of the method of capacitance to voltage conversion and the phase shift measurement method. By cornbining both rnethods together it is possible to rneasure accurate ly the complex irnpedance of edible oil. Experimental results show that measurement systern is capable to detect small changes of dielectric parameters, which are correlated to the chemical parameters. / Die mehrfach wiederholte Verwendung von Frittieröl ist aufgrund der Qualitätsver­ schlechterung, die während des Erhitzens auftreten durch chemische Reaktionen verursacht wird, gefährlich für die Gesundheit. Die totale polaren Kompon enten und die freien Fettsäuren sind die zwei wichtigsten chemischen Komponenten, die wesentlich durch das Braten beeinflusst werden. Diese Komponenten erhöhen sich signifikant mit der Wiederverwendung von Bratöl und verursachen u. a. ernste Herzkrankheiten. Diese Arbeit zielt darauf hin, ein mobiles, kostengünstiges, einfach zu verwenden­ des Sensorsystem für die Abschätzung der Ölqualität zu entwickeln. Das System charakterisiert die Veränderung der elektrischen Parameter des Öls durch Messung der Änderung seiner komplexen elektrischen Eigenschaft en. In dieser Arbeit wurde ein Sensorelement mit interdigitalen Elektroden entwickelt, der eine hohe Empfindlichkeit auf die relative Permittivität und die elektrischen Leitfähigkeit des Öls hat und dabei einer hohe Reproduzierbarkeit erzielen kann. Es wird ein Messverfahren vorgeschlagen, das auf der Wandlung in einer Spannung und einer Phasenverschiebung basiert. Sowohl durch theoretische Überlegungen als auch durch Simulationen konnte belegt werden, dass die Kombination beider Metho­ den eine akkurate Messung der Komplexem Imped anz hochdielektrischer Materia lien ermöglichen kann. Experiment elle Ergebnisse zeige n, dass das Messsystem in der Lage ist , kleine Änderungen der dielektrischen Parameter zu erfassen, die mit den chemischen Ölparamtern stark korrelieren.

Bei der Anwendung von Radarsensoren zur Fahrzeug-Umfelderfassung müssen verwendete Blenden (Radome), welche den Sensor vor externen Einflüssen schützen und das Fahrzeugdesign unterstützen, die hochfrequente elektromagnetische Welle ohne Beeinflussung transmittieren. Allerdings werden beim Durchstrahlen eines Bauteils unterschiedliche Anteile der Welle absorbiert, reflektiert oder transmittiert. Mit dem Ziel die Transmission von Materialien zu erhöhen, werden im Rahmen dieser Arbeit die Einflüsse auf den Materialparameter Permittivität von Kunststoffen und Lacken untersucht. Dadurch kann auch die praktische Umsetzbarkeit der theoretisch hergeleiteten Kompensationsmethoden für hochreflektierende Lacke nachgewiesen werden. Zur Absicherung der Radarfunktion müssen darüber hinaus auch Einflussfaktoren aus Design, Fertigungsprozess und Umgebung bekannt sein.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Stand der Wissenschaft 4 Elektromagnetische Eigenschaften von Kunststoffen 5 Einfluss elektromagnetischer Eigenschaften von Lacken 6 Radome im Gesamtaufbau 7 Zusammenfassung und Ausblick Anhang / When radar sensors are used for vehicle environment scanning, the cover (radome) used to protect the sensor from external influences and support the vehicle design must transmit the high-frequency electromagnetic wave without interference. However, when the wave passes through a component it is absorbed, reflected or transmitted. The range of the radar sensor can be reduced, the sensor can be blinded by reflections and inhomogeneous reflection distributions can lead to angular errors. To increase the transmission of materials, the influences on the material parameter permittivity of plastics and paints are investigated. Furthermore, the practical feasibility of the theoretically derived compensation methods for highly reflective paints can be demonstrated. To ensure the radar function, influencing factors, including the design, the manufacturing process and environment, must also be known.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Stand der Wissenschaft 4 Elektromagnetische Eigenschaften von Kunststoffen 5 Einfluss elektromagnetischer Eigenschaften von Lacken 6 Radome im Gesamtaufbau 7 Zusammenfassung und Ausblick Anhang

The electrical properties of proteins in solution are important for their structure and function. Computational biophysics studies of proteins need accurate parameters to ensure that numerical simulations match physical reality. Past work in this eld has compared the electrical properties of proteins obtained from dielectric spectroscopy to numerical simulations of proteins in water with adjustment of pKa values to try to capture the inevitable changes in electrical conformation that will occur in a complex structure such as a folded protein. However, fundamental veri cation of the charge parameters of the amino acid building blocks in common molecular dynamics software packages with electrical experiments needs to be performed to have increased con dence in the results from numerical simulations. The aim of this thesis is to start from a fundamental building block, the single amino acid alanine, and to compare numerical simulations of this amino acid in water using parameters from commonly used charge structures in CHARMM, GROMOS, and OPLS, with electrical parameters obtained from dielectric spectroscopy experiments in the GHz range. To this end, multiple molecular dynamics simulations were performed to accurately determine how these different charge structures yield different dielectric increments. Additionally, a commercial RF dielectric measurement probe was modi ed to perform measurements on solutions containing alanine at different concentrations. Using regression, the dielectric increment of alanine is readily determined and compared with the numerical simulations. The results indicate that the CHARMM and OPLS parameters seem to adequately capture the charge con guration of alanine in solution, while the GROMOS parameters produce a dielectric increment but do not seem to adequately capture the charge con guration of alanine in solution. These studies lay the foundation for future studies of additional amino acids in solution as well as a stepping stone for larger simulations of the electrical properties of fully solvated proteins in solution.