Die Arbeit behandelt am Beispiel von flachsfaserverstärktem Polypropylen die Verarbeitung von naturfaserverstärkten Thermoplasten im Spritzgießverfahren und die resultierenden Verbundeigenschaften. Im Grundlagenteil der Arbeit werden die Flachsfasern mit ihren besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften vorgestellt, die theoretischen Grundlagen zur Suspensionsrheologie, der Beschreibung von räumlichen Orientierungszuständen, zur Faser-Makrostruktur-Ausbildung und zum Spannungs-Verformungsverhalten von kurzfaserverstärkten Thermoplasten dargelegt. Phänomenologisch wird das rheologische Verhalten der flachsfasergefüllten thermoplastischen Schmelze charakterisiert. Weiterhin wird der Formfüllvorgang simuliert. Für die Bewegung der in der Schmelze mitgeschleppten Fasern werden die für konventionelle Kurzfasern gebräuchlichen Berechnungsansätze benutzt und deren Vorhersagegenauigkeit für flachsfaserverstärktes Polypropylen anhand experimenteller Ergebnisse beurteilt. Die resultierende Verbundsteifigkeit wird mit einem analytischen Modell unter Berücksichtigung der Orientierungssituation und Zuhilfenahme von mikromechanisch berechneten Faserkennwerten bestimmt. Abschließend wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter dargelegt.

Die Arbeit behandelt ausgewählte Aspekte der Ausbildung strömungsinduzierter Orientierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften in spritzgegossenen LCP-Formteilen. Es werden die Grundlagen zum rheologischen Verhalten von LCP, zum Füllvorgang und zur Orientierungsausbildung beim Spritzgießen sowie zu den Methoden der Orientierungsuntersuchung zusammengefaßt. Rheologische Untersuchungen werden aus der Sicht der praktischen Kennwertermittlung durchgeführt. Dabei wird die Abhängigkeit der Viskosität von der Düsenlänge und von der thermo-rheologischen Vorgeschichte analysiert sowie eine Viskosimeter-Vorrichtung für die Spritzgießmaschine vorgestellt und erprobt. Die umfangreiche Analyse verarbeitungsinduzierter Formteileigenschaften behandelt schwerpunktmäßig Orientierungsphänomene in der Wanddickenrichtung. Die Orientierungseffekte werden durch Grauwertmessungen erfaßt. Ein Meßaufbau mit einer kalibrierten Mikroskop-Digitalkamera-Kombination ermöglicht die reproduzierbare, effektive Messung der Grauwerte in hoher Ortsauflösung und damit eine über die bisher bekannten qualitativen Vergleiche hinausgehende quantitative Auswertung. Anhand der Grauwertverläufe wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter auf die Orientierungsstruktur dargelegt und mit Ergebnissen der Computersimulation verglichen. Durch parallele Messung anisotroper mechanischer Kennwerte und Orientierungsmerkmale werden richtungsabhängige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bestimmt.

Die Arbeit behandelt am Beispiel von flachsfaserverstärktem Polypropylen die Verarbeitung von naturfaserverstärkten Thermoplasten im Spritzgießverfahren und die resultierenden Verbundeigenschaften. Im Grundlagenteil der Arbeit werden die Flachsfasern mit ihren besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften vorgestellt, die theoretischen Grundlagen zur Suspensionsrheologie, der Beschreibung von räumlichen Orientierungszuständen, zur Faser-Makrostruktur-Ausbildung und zum Spannungs-Verformungsverhalten von kurzfaserverstärkten Thermoplasten dargelegt. Phänomenologisch wird das rheologische Verhalten der flachsfasergefüllten thermoplastischen Schmelze charakterisiert. Weiterhin wird der Formfüllvorgang simuliert. Für die Bewegung der in der Schmelze mitgeschleppten Fasern werden die für konventionelle Kurzfasern gebräuchlichen Berechnungsansätze benutzt und deren Vorhersagegenauigkeit für flachsfaserverstärktes Polypropylen anhand experimenteller Ergebnisse beurteilt. Die resultierende Verbundsteifigkeit wird mit einem analytischen Modell unter Berücksichtigung der Orientierungssituation und Zuhilfenahme von mikromechanisch berechneten Faserkennwerten bestimmt. Abschließend wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter dargelegt.

Die Arbeit behandelt ausgewählte Aspekte der Ausbildung strömungsinduzierter Orientierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften in spritzgegossenen LCP-Formteilen. Es werden die Grundlagen zum rheologischen Verhalten von LCP, zum Füllvorgang und zur Orientierungsausbildung beim Spritzgießen sowie zu den Methoden der Orientierungsuntersuchung zusammengefaßt. Rheologische Untersuchungen werden aus der Sicht der praktischen Kennwertermittlung durchgeführt. Dabei wird die Abhängigkeit der Viskosität von der Düsenlänge und von der thermo-rheologischen Vorgeschichte analysiert sowie eine Viskosimeter-Vorrichtung für die Spritzgießmaschine vorgestellt und erprobt. Die umfangreiche Analyse verarbeitungsinduzierter Formteileigenschaften behandelt schwerpunktmäßig Orientierungsphänomene in der Wanddickenrichtung. Die Orientierungseffekte werden durch Grauwertmessungen erfaßt. Ein Meßaufbau mit einer kalibrierten Mikroskop-Digitalkamera-Kombination ermöglicht die reproduzierbare, effektive Messung der Grauwerte in hoher Ortsauflösung und damit eine über die bisher bekannten qualitativen Vergleiche hinausgehende quantitative Auswertung. Anhand der Grauwertverläufe wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter auf die Orientierungsstruktur dargelegt und mit Ergebnissen der Computersimulation verglichen. Durch parallele Messung anisotroper mechanischer Kennwerte und Orientierungsmerkmale werden richtungsabhängige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bestimmt.

Ein Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Aufarbeitung zur anatomischen und chemischen strukturellen Zusammensetzung von vorrangig einheimischen Hölzern, um schließlich die physikalischen Eigenschaften bzw. deren Differenzen, auch im Unterschied zwischen Laub- und Nadelholz phänomenologisch im Sinne der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu verstehen. Die Verbesserung von holzphysikalischen Defiziten wird im Rahmen der Arbeit hauptsächlich mithilfe von physikalischen Verfahren erläutert. Dazu erfolgen ausführliche Beschreibungen zum mechanischen Verdichten quer zur Faserrichtung des Holzes, der thermischen Modifikation sowie der Kombination aus beiden Verfahren. Dazu werden sowohl jeweils die verfahrenstechnischen Parameter und Vorgehensweisen als auch die resultierenden anatomischen, chemischen und den damit verbundenen physikalischen Eigenschaftsänderungen erläutert, insbesondere in Abhängigkeit der Parameteranwendung sowie im Unterschied zwischen Laub- und Nadelholz. Darüber hinaus werden bereits durchgeführte Studien zur physikalischen, chemischen und biologischen Holzmodifikation zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften von Hölzern und deren möglicher Eignung für den Musikinstrumentenbau vorgestellt, zusammengefasst und jeweils bewertet. Schließlich werden zwei ausgewählte Fallbeispiele beschrieben, welche die Zielsetzung verfolgten, einheimische Holzarten mithilfe der physikalischen Holzmodifikation als Tropenholzersatz in Konzertgitarren und Elektro-Bassgitarren bauteilspezifisch zu verwenden. Der jeweilige Lösungsansatz wurde einerseits durch Einsatz der thermischen Modifikation und andererseits mithilfe einer Kombination aus dem Plastifizieren, mechanischen Verdichten quer zur Faserrichtung und der anschließenden thermischen Modifikation verfolgt. Zur Material- und Instrumentencharakterisierung wurden hierbei verschiedene Testmethoden verwendet und bewertet.:1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund und Motivation 1 1.2 Aufbau und Vorgehensweise 5 2 Struktureller Aufbau und relevante Eigenschaften von Holz 6 2.1 Anatomie des Holzes 6 2.2 Chemie des Holzes 18 2.3 Physik des Holzes 39 3 Holzmodifikation 91 3.1 Allgemeines 91 3.2 Verdichten quer zur Faserrichtung 95 3.3 Thermische Modifikation 119 3.4 Kombination: Querverdichten und thermische Behandlung 167 4 Holzmodifikation im Musikinstrumentenbau 185 5 Thermische Modifikation am Beispiel von Klassikgitarren 221 5.1 Grundlagen und Erwartungen 221 5.2 Technologische Umsetzung 230 5.3 Prüfmethoden und Bewertungskriterien 233 5.4 Ergebnisse und Diskussion 247 5.4.1 Allgemeines 247 5.4.2 Optik, Rohdichte und Sorption 248 5.4.3 Mechanische Kennwerte 254 5.4.4 Akustische Kennwerte 262 5.4.5 Objektives Klangverhalten (Anzupftests) 271 5.4.6 Subjektives Klangverhalten (Spieltests) 276 6 Kombination von Querverdichten und thermische Behandlung am Beispiel des Griffbrettbaus für Elektro-Bassgitarren 285 6.1 Grundlagen und Erwartungen 285 6.2 Technologische Umsetzung 291 6.3 Prüfmethoden und Bewertungskriterien 294 6.4 Ergebnisse und Diskussion 296 6.4.1 Allgemeines 296 6.4.2 Optik, Rohdichte, Sorption 298 6.4.3 Mechanische Kennwerte 312 6.4.4 Akustische Kennwerte 315 6.4.5 Objektives Klangverhalten (Anzupftests) 323 6.4.6 Subjektives Klangverhalten (Spieltests) 327 7 Zusammenfassung 330 8 Ausblick 338 Literaturverzeichnis 340 Abbildungsverzeichnis 379 Tabellenverzeichnis 394 / One part of the thesis deals with the processing of the anatomical and chemical structural composition of primarily native woods in order to finally understand the physical properties and their differences, also in the difference between hardwood and softwood phenomenologically in the sense of structure-property relationships. The improvement of wood-physical deficits is mainly explained within the scope of the work with the help of physical methods. Detailed descriptions are given of mechanical densification across the grain direction of the wood, thermal modification and the combination of both methods. The process parameters and procedures as well as the resulting anatomical, chemical and associated physical property changes are explained, in particular depending on the parameter application and the difference between hardwood and softwood. Furthermore, the work is dedicated to studies that have already taken place on physical, chemical and biological wood modification to improve the acoustic properties of woods and their possible suitability in musical instrument making, summarized and evaluated in each case. Finally, two selected case studies are described which pursued the objective of using native wood species as a component-specific substitute for tropical wood in concert guitars and electric bass guitars with the aid of physical wood modification. The respective solution approach was pursued on the one hand by using thermal modification and on the other hand by using a combination of plasticizing, mechanical densification across the grain direction and subsequent thermal modification. Various test methods were used and evaluated for both material and instrument characterization.:1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund und Motivation 1 1.2 Aufbau und Vorgehensweise 5 2 Struktureller Aufbau und relevante Eigenschaften von Holz 6 2.1 Anatomie des Holzes 6 2.2 Chemie des Holzes 18 2.3 Physik des Holzes 39 3 Holzmodifikation 91 3.1 Allgemeines 91 3.2 Verdichten quer zur Faserrichtung 95 3.3 Thermische Modifikation 119 3.4 Kombination: Querverdichten und thermische Behandlung 167 4 Holzmodifikation im Musikinstrumentenbau 185 5 Thermische Modifikation am Beispiel von Klassikgitarren 221 5.1 Grundlagen und Erwartungen 221 5.2 Technologische Umsetzung 230 5.3 Prüfmethoden und Bewertungskriterien 233 5.4 Ergebnisse und Diskussion 247 5.4.1 Allgemeines 247 5.4.2 Optik, Rohdichte und Sorption 248 5.4.3 Mechanische Kennwerte 254 5.4.4 Akustische Kennwerte 262 5.4.5 Objektives Klangverhalten (Anzupftests) 271 5.4.6 Subjektives Klangverhalten (Spieltests) 276 6 Kombination von Querverdichten und thermische Behandlung am Beispiel des Griffbrettbaus für Elektro-Bassgitarren 285 6.1 Grundlagen und Erwartungen 285 6.2 Technologische Umsetzung 291 6.3 Prüfmethoden und Bewertungskriterien 294 6.4 Ergebnisse und Diskussion 296 6.4.1 Allgemeines 296 6.4.2 Optik, Rohdichte, Sorption 298 6.4.3 Mechanische Kennwerte 312 6.4.4 Akustische Kennwerte 315 6.4.5 Objektives Klangverhalten (Anzupftests) 323 6.4.6 Subjektives Klangverhalten (Spieltests) 327 7 Zusammenfassung 330 8 Ausblick 338 Literaturverzeichnis 340 Abbildungsverzeichnis 379 Tabellenverzeichnis 394

Die globalen Herausforderungen unserer Zeit sind wesentlich geprägt vom Klimawandel und der Umweltzerstörung auf dem Planeten Erde, hervorgerufen durch die Existenz des Menschen. Damit sind die Themen der Nachhaltigkeit, des Umweltschutzes und der alternativen Energieerzeugung, verbunden mit der Energiespeicherung, allgegenwärtig. Auf dem Gebiet der mobilen Energiespeicher sind die Lithium-Ionen-Batterien (LIB) fest etabliert. Jedoch sind die Ressourcen für das Metall Lithium endlich und die großtechnische Anwendung dieser Systeme ist mit hohen Sicherheitsmaßnahmen und damit hohen Kosten verbunden. Deshalb wird zunehmend an Lithium-freien Batterien geforscht. Diese Arbeit befasste sich mit der Entwicklung von Komponenten einer Lithium-freien, rein-organischen Festkörperbatterie. Die Herausforderungen an solche komplexen Systeme sind besonders hoch, sodass sich diese Arbeit auf die gezielte Entwicklung geeigneter Elektrolytmaterialien für organische Festkörperbatterien fokussierte. Die bisher genutzten Flüssigelektrolytsysteme in LIB bringen einige Nachteile mit sich (z.B. Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Toxizität, leichte Entzündlichkeit), welche adressiert werden müssen. Kohlenstoffhaltige Polymere sind prinzipiell relativ leicht synthetisierbar und die Verfügbarkeit an Kohlenstoff, ist im Vergleich zu Lithium deutlich größer. Weiterhin sind Polymere flexibler als herkömmliche Batteriekomponenten, was die Anwendung für dünne elektronische Geräte attraktiv macht. Basierend auf den Vorarbeiten der Arbeitsgruppe Pospiech, welche sich mit Bis(trifluormethansulfonyl)imid-haltigen ionisch-flüssigen Polymerelektrolyten für LIB beschäftigten, sollten in dieser Arbeit ebenfalls ionische Flüssigkeiten als Grundlage für Polymerelektrolyte für organische Redox-Batterien dienen. Der Neuheitsgrad dieser Arbeit liegt jedoch in der Verwendung von Chlorid-Ionen-haltigen, ionisch-flüssigen Polymerelektrolyten, welche als Chlorid-Ionen-Leiter in der organischen Batterie fungieren sollen. Aufgrund der festen Polymermatrix agieren diese dabei nicht nur als Festelektrolyte, sondern auch als Separatoren, weshalb eine gewisse mechanische Festigkeit mit einer ausreichenden Flexibilität kombiniert werden muss. Zur Realisierung der Aufgabenstellung wurden zunächst neuartige Chlorid-Ionen-haltige Polymerelektrolyte, sowohl als lineare Homopolymere als auch als vernetzte Polymere, synthetisiert. Dabei war das Ziel, die Systeme im Hinblick auf die ionischen Leitfähigkeiten und damit verbunden den Ladungstransfer der Chlorid-Ionen zu optimieren. Dies sollte zum einen durch strukturelle Veränderungen (Wahl des Spacers und der Endgruppe) als auch durch die Verwendung von verschiedenen Vernetzer- und Leitsalzkonzentrationen realisiert werden. Im zweiten Schritt wurde die systematische Variation der Polymerstruktur genutzt, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, insbesondere hinsichtlich der ionischen Leitfähigkeit auszuarbeiten. Im dritten Schritt fanden ausgewählte Systeme dann letztendlich Anwendung in Batteriezellen, um die Frage zu beantworten, ob die Anforderungen an den Festkörperelektrolyten tatsächlich erreicht werden können und es damit möglich ist, in solchen Systemen lösungsmittelfrei zu arbeiten, oder ob die Eigenschaften, wie z.B. die ionische Leitfähigkeit, nicht ausreichen und durch Zugabe geeigneter Zusätze ein Gelelektrolyt angewandt werden sollte. Mit der dargestellten Vorgehensweise ist es im Rahmen dieser Doktorarbeit gelungen, neuartige Chlorid-Ionen-leitende Polymerelektrolyte für Batteriesysteme zu entwickeln, welche auf ionisch-flüssigen Monomeren basieren und somit ein deutlich geringeres Sicherheitsrisiko mit sich bringen, als es herkömmliche Flüssigelektrolytsysteme bisher tun. Das Gesamtziel dieser Arbeit wurde somit erfolgreich erreicht. Es wurden folgende wesentliche Ergebnisse erzielt: (1) Durch systematische Variationen in der Monomerstruktur, verschiedene Polymerisationsmethoden und Additive konnte eine Vielzahl an neuartigen Chlorid-haltigen Polymerelektrolyten synthetisiert und chemisch sowie chemisch-physikalisch charakterisiert werden. (2) Die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Polymere wurden sehr detailliert herausgearbeitet. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der C-Atom-Anzahl in der acrylischen Seitenkette, die Menge an Vernetzer und Leitsalz auf das thermische, mechanische, chemische und elektrochemische Verhalten der Proben untersucht und verstanden. (3) Damit wurde das Basiswissen für eine effiziente Übertragung auf ein Batteriesystem erarbeitet. (4) Erste Implementierungen der neuen Systeme als Elektrolyte in Poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl-methacrylat)/ Zink-Batterien wurden erfolgreich durchgeführt und zeigten mit Leitfähigkeiten von 10-3 S·cm-1 vielversprechende Ergebnisse. Eine solche Breite an strukturellen Variationen in Chlorid-Ionen-haltigen Polymeren, welche mit zahlreichen Methoden detailliert analysiert und anschließend in Batteriezellen als Gel- und Festelektrolyte getestet wurden, konnte bisher in der Literatur noch nicht gefunden werden und stellt einen erheblichen Neuheitsgrad dieser Arbeit und einen guten Ausgangspunkt zur Implementierung in Batterien dar.:Inhaltsverzeichnis Danksagung i Inhaltsverzeichnis iii Abbildungsverzeichnis vii Tabellenverzeichnis xiv Abkürzungs- und Symbolverzeichnis xvi 1 Einleitung 1 2 Theoretischer Hintergrund 6 2.1 Die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) 6 2.2 Struktur und Aufbau von polymerbasierten Batterien 8 2.2.1 Redox-Flow-Batterien (RFB) 8 2.2.2 Organische Festkörperbatterien (SSB) 11 2.3 Elektrolyttypen für (polymerbasierte) Batterien 19 2.3.1 Überblick 19 2.3.2 Flüssigelektrolyte 20 2.3.2.1 Lösungsmittel 20 2.3.2.2 Leitsalz 22 2.3.2.3 Elektrolyte basierend auf ionischen Flüssigkeiten 23 2.3.3 Polymerelektrolyte (PEL) 27 2.3.3.1 Überblick 27 2.3.3.2 Festelektrolyte (SPE) 28 2.3.3.3 Gelpolymerelektrolyte (GPE) 30 2.3.3.4 Elektrolyte aus polyionischen Flüssigkeiten (PIL) 30 2.4 Synthese polymerer ionischer Flüssigkeiten 37 2.4.1 Freie radikalische Polymerisation (FRP) von IL-Monomeren 38 2.4.2 Reaktionsverfolgung 42 3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 44 4 Experimenteller Teil 47 4.1 Verwendete Chemikalien 47 4.2 Synthesen 49 4.2.1 Monomersynthesen 49 4.2.2 Polymersynthesen 56 4.2.2.1 Lineare Homopolymere (LHP) 56 4.2.2.2 PIL-Netzwerke 59 4.3 Angewandte Methoden, Verfahren und Geräte 60 4.3.1 Raman-Spektroskopie als Methode zur Reaktionsverfolgung 60 4.3.2 Charakterisierung der linearen Homopolymere 61 4.3.2.1 Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) 61 4.3.2.2 Thermische Feld-Fluss-Fraktionierung (ThFFF) 61 4.3.2.3 Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation gekoppelt mit Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) 63 4.3.3 Methoden zur thermischen und mechanischen Stabilität bzw. Eigenschaften 64 4.3.3.1 Thermogravimetrische Analyse (TGA) 64 4.3.3.2 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 64 4.3.3.3 Rheologie 64 4.3.3.4 Quelluntersuchungen 66 4.3.4 Methoden zur Bestimmung elektrochemischer Eigenschaften 67 4.3.4.1 Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie (EIS) 67 4.3.4.2 Linear-Sweep-Voltammetrie (LSV) 71 4.3.4.3 Cyclovoltammetrie (CV) 72 4.3.4.4 Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM) 75 4.3.5 Methoden zur Untersuchung der morphologischen Struktur bzw. Eigenschaften 76 4.3.5.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 76 4.3.5.2 Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) 76 4.4 Batterietests 77 4.4.1 Zellaufbau 77 4.4.2 Parameter und Materialien für Zyklisierungstests 77 5 Ergebnisse und Diskussion 78 5.1 Darstellung des Forschungskonzeptes 78 5.2 Synthese und Polymerisation der IL-Monomere 80 5.2.1 Monomersynthesen 80 5.2.2 Polymersynthesen 82 5.2.2.1 Lineare Homopolymere 82 5.2.2.2 PIL-Netzwerke 83 5.3 Quellverhalten der PIL-Netzwerke 86 5.4 Charakterisierung der linearen Homopolymere und der PIL-Netzwerke 91 5.4.1 Bestimmung der molaren Massen der linearen Homopolymere 91 5.4.1.1 Thermische Feld-Fluss-Fraktionierung 91 5.4.1.2 Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation gekoppelt mit Flugzeit-Massenspektrometrie 94 5.4.2 Thermisches Verhalten 95 5.4.2.1 TGA-Untersuchungen der linearen Homopolymere 95 5.4.2.2 TGA-Untersuchungen der PIL-Netzwerke 97 5.4.2.3 DSC-Untersuchungen der linearen Homopolymere 98 5.4.2.4 DSC-Untersuchungen der PIL-Netzwerke 101 5.4.3 Dynamisch-mechanisches Verhalten der PIL-Netzwerke 105 5.4.3.1 Komplexe Viskosität als Funktion der Temperatur 105 5.4.3.2 Bestimmung der Maschenweite und Vernetzungsdichte der PIL-Netzwerke 110 5.4.4 Ionische Leitfähigkeit und elektrochemisches Verhalten 113 5.4.4.1 EIS-Messungen der linearen Homopolymere 113 5.4.4.2 EIS-Messungen der PIL- Netzwerke 115 5.4.4.3 Linear-Sweep Voltammetrie der linearen Homopolymere und PIL-Netzwerke und Cyclovoltammetrie der linearen Homopolymere 123 5.4.5 Untersuchungen zum Ladungsträgertransport 125 5.4.5.1 Chlorid-Ionen-Diffusion 125 5.4.5.2 Raster-Kelvin-Mikroskopie 127 5.4.6 Strukturaufklärung mittels Kleinwinkelröntgenstreuung 131 5.5 Integration ausgewählter Systeme als Polymerelektrolyte in Batteriezellen 138 5.5.1 Wahl geeigneter Elektroden- und Elektrolytkombinationen 138 5.5.2 Zyklisierungstests 141 6 Zusammenfassung und Ausblick 146 7 Literaturverzeichnis 154 8 Anhang A 9 Publikationsliste L 10 Selbstständigkeitserklärung M

In the application as conductor materials, metals such as copper or aluminum represent the state of the art. This applies for example to high-voltage lines, motor windings or the infrastructure in cities. However, metals, and especially copper, are expensive and heavy. Graphene-based conductor materials (GCMs) represent a cost-competitive and highly conductive alternative to metallic conductors. GCMs are mechanically flexible, lightweight and corrosion-resistant. But in order to fully exploit the potential of their electrical conductivity, a systematic material optimization is required. In this thesis, the electrical conductivity of GCMs is investigated in simulations and experiments. Using a simplified model of a GCM, the theoretical maximum value of the conductivity is derived mathematically. Furthermore, the dependence of the conductivity on microscopic material parameters is quantified. For a deeper insight, finite element simulations are used to study more realistic as well as defective geometries. The meaningful modeling of physical parameters as statistical distributions requires structures with tens of thousands of graphene flakes. To this end, an efficient network model is designed and implemented. The network model is further used to compare results with the literature, to consider surface contacts and to perform an exemplary material evaluation. From the simulation results, specific guidelines for the production of highly conductive GCMs are derived. In order to validate the simulations and to evaluate the potential of GCMs experimentally, a process chain for the preparation of graphene films is set up. Liquid graphene or graphene oxide dispersions are chosen as the starting materials, since large amounts of graphene can be processed in this way. The sizes of the graphene flakes are varied via centrifugation. Hydriodic acid is employed and evaluated as a reducing agent, as is thermal treatment. Scanning electron microscopy, Raman microscopy and an eddy current measurement of the conductivity are used for material characterization. Two studies on the dependence of the electrical conductivity on microscopic parameters are experimentally realized. The results show good agreement with the prediction by the network model and thus support the previously established theoretical description. / In der Anwendung als Leitermaterialien werden nach dem Stand der Technik Metalle wie Kupfer oder Aluminium eingesetzt. Dies betrifft beispielsweise Hochspannungsleitungen, Motorwicklungen oder die Infrastruktur in Städten. Insbesondere im Fall von Kupfer handelt es sich um ein teures und schweres Material. Graphen-basierte Leitermaterialien (GCMs, engl. graphene-based conductor materials) stellen eine potentiell günstige und hoch leitfähige Alternative dar, die metallische Leiter ersetzen kann. GCMs sind mechanisch flexibel, wesentlich leichter als Metalle und korrosionsbeständig. Um das Potential ihrer elektrischen Leitfähigkeit voll auszuschöpfen bedarf es jedoch einer gezielten Materialoptimierung. In der vorliegenden Arbeit wird die elektrische Leitfähigkeit von GCMs systematisch in Simulationen und Experimenten untersucht. Mit einem vereinfachten Modell eines GCMs wird der theoretische Maximalwert der Leitfähigkeit mathematisch hergeleitet. Weiterhin wird die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von mikroskopischen Materialparametern quantifiziert. In Finite Elemente Simulationen werden realistischere sowie defektbehaftete Geometrien betrachtet und die Erkenntnisse aus dem analytischen Modell erweitert. Die sinnvolle Modellierung von physikalischen Eingangsgrößen als statistische Verteilungen erfordert Strukturen mit mehreren Zehntausend Graphenplättchen. Zu diesem Zweck wird ein effizientes Netzwerkmodell konzeptioniert und implementiert. Mit dem Modell werden darüberhinaus Ergebnisse mit der Literatur verglichen, Oberflächenkontakte betrachtet und eine beispielhafte Materialbewertung durchgeführt. Weiterhin werden konkrete Richtlinien zur Herstellung von hochleitfähigen GCMs abgeleitet. Um die Simulationen zu validieren und das Potential von GCMs experimentell zu bewerten, wird eine Prozesskette zur Herstellung von Graphenfilmen aufgebaut. Dabei werden flüssige Graphen- oder Graphenoxiddispersionen als Ausgangsmaterial gewählt, da in dieser Art große Mengen Graphen verarbeitet werden können. Mittels Zentrifugierung werden die Größen der Graphenplättchen variiert. Iodwasserstoffsäure wird als Reduktionsmittel eingesetzt und bewertet, ebenso wie eine thermische Materialbehandlung. Zur Materialcharakterisierung werden Rasterelektronenmikroskopie, Raman-Mikroskopie und eine Wirbelstrommessung der Leitfähigkeit eingesetzt. Zwei Studien zur Abhängigkeit der Leitfähigkeit von mikroskopischen Parametern werden experimentell realisiert. Die Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmung zur Vorhersage durch das Netzwerkmodell und untermauern so die zuvor beschriebenen Wirkzusammenhänge.