Als Wärmedämmstoffe werden üblicherweise makroporöse Stoffsysteme wie Schäume, Pul-verschüttungen, Faservliese und – wolle eingesetzt. Zusätzlich finden mikro- und mesoporöse Dämmstoffe wie Aerogele Anwendung. Um effiziente Wärmedämmstoffe entwickeln zu können, muss der Gesamtwärmetransport in porösen Materialien verstanden werden. Die ein-zelnen Wärmetransport-Mechanismen Festkörperwärmeleitung, Gaswärmeleitung und Wärme-strahlung können zuverlässig analytisch beschrieben werden. Bei manchen porösen Materialien liefert jedoch auch eine Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Wärmetransport-Mechanismen, d.h. die Kopplung von Festkörper- und Gaswärmeleitung, einen hohen Beitrag zur Gesamtwärmeleitfähigkeit. Wie hoch dieser Kopplungseffekt bei einer bestimmten Probe ausfällt, kann bisher schwer abgeschätzt werden. Um den Kopplungseffekt von Festkörper- und Gaswärmeleitung besser zu verstehen, sind sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen an verschiedenen porösen Stoffsystemen erforderlich. Zusätzlich kann ein zuverlässiges theoretisches Modell dazu beitragen, die mittlere Porengröße von porösen Mate-rialien zerstörungsfrei anhand von gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeitsmessungen zu bestimmen. Als Modellsystem für die experimentellen Untersuchungen wurde der hochporöse Feststoff Aerogel verwendet, da seine strukturellen Eigenschaften wie Porengröße und Dichte während der Synthese gut eingestellt werden können. Es wurden Resorcin-Formaldehyd-Aerogele mit mittleren Porengrößen von etwa 600 nm, 1 µm und 8 µm sowie daraus mittels Pyrolyse abge-leitete Kohlenstoff-Aerogele synthetisiert und jeweils hinsichtlich ihrer Struktur und Wärme-leitfähigkeiten experimentell charakterisiert. Die Gesamtwärmeleitfähigkeiten dieser Aerogele wurden für verschiedene Gasatmosphären (Kohlenstoffdioxid, Argon, Stickstoff und Helium) in Abhängigkeit vom Gasdruck durch das Hitzdraht-Verfahren bestimmt. Hierfür wurde der Messbereich der Hitzdraht-Apparatur des ZAE Bayern mittels einer Druckzelle auf 10 MPa erweitert. Die Messergebnisse zeigen, dass bei allen Aerogel-Proben Festkörper- und Gaswär-meleitung einen deutlichen Kopplungsbeitrag liefern: Die gemessenen gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeiten sind um Faktor 1,3 bis 3,3 höher als die entsprechenden reinen Gas-wärmeleitfähigkeiten. Die jeweilige Höhe hängt sowohl vom verwendeten Gas (Gaswärmeleitfähigkeit) als auch vom Aerogeltyp (Festkörperwärmeleitfähigkeit und Festkörperstruktur) ab. Ein stark vernetzter Festkörper verursacht beispielsweise einen niedrigeren Kopplungsbei-trag als ein weniger stark vernetzter Festkörper. Andererseits wurde die gasdruckabhängige Wärmeleitfähigkeit von Melaminharzschaum – einem flexiblen, offenporigen und hochporösen Material – in einer evakuierbaren Zwei-Plattenapparatur unter Stickstoff-Atmosphäre bestimmt. Das Material zeichnet sich dadurch aus, dass die Addition der Einzelwärmeleitfähigkeiten gut erfüllt ist, d.h. kein Kopplungsef-fekt auftritt. Allerdings konnte gezeigt werden, dass die gestauchte und damit unregelmäßige Struktur von Melaminharzschaum die Kopplung von Festkörper- und Gaswärmeleitung deut-lich begünstigt. Je stärker die Melaminharzschaumprobe komprimiert wird, umso stärker fällt der Kopplungseffekt aus. Bei einer Kompression um 84 % ist beispielsweise die gemessene gasdruckabhängige Wärmeleitfähigkeit bei 0,1 MPa um ca. 17 % gegenüber der effektiven Wärmeleitfähigkeit von freiem Stickstoff erhöht. Die experimentellen Untersuchungen wurden durch theoretische Betrachtungen ergänzt. Zum einen wurde die Kopplung von Festkörper- und Gaswärmeleitung anhand einer Serienschal-tung der thermischen Widerstände von Festkörper- und Gasphase dargestellt, um die Abhän-gigkeit von verschiedenen Parametern zu untersuchen. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der Kopplungsterm stets von den Verhältnissen aus Festkörper- und Gaswärmeleitfähigkeit sowie aus den geometrischen Parametern beider Phasen abhängt. Des Weiteren wurden mit dem Computerprogramm HEAT2 Finite-Differenzen-Simulationen an Modellstrukturen durchgeführt, die für poröse Stoffsysteme, insbesondere Aerogel, charakteristisch sind (Stege, Hälse, Windungen und tote Enden). Die simulierten gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeiten zeigen deutlich, dass die Festkörperstruktur mit der geringsten Vernetzung, d.h. das tote Ende, am meisten zur Kopplung von Festkörper- und Gaswärmeleitung beiträgt. Dies korre-liert mit den experimentellen Ergebnissen. Darüber hinaus kann man erkennen, dass die Ge-samtwärmeleitfähigkeit eines schlecht vernetzten porösen Systems, wo also ein hoher Kopp-lungseffekt (Serienschaltung) auftritt, niemals größer wird als die eines gut vernetzten Sys-tems mit gleicher Porosität, wo hauptsächlich paralleler Wärmetransport durch beide Phasen stattfindet. Schließlich wurden drei Modelle entwickelt bzw. modifiziert, um die gasdruckabhängige Wärmeleitfähigkeit von porösen Stoffsystemen theoretisch beschreiben zu können. Zunächst wurde ein für Kugelschüttungen entwickeltes Modell für Aerogel angepasst, d.h. Kopplung von Festkörper- und Gaswärmeleitung wurde nur in den Lücken zwischen zwei benachbarten Partikeln berücksichtigt. Ein Vergleich mit den Messkurven zeigt, dass der ermittelte Kopplungsterm zu gering ausfällt. Daher wurde ein bereits existierendes Aerogelmodell mit kubischer Einheitszelle, welches zusätzlich Kopplung zwischen den einzelnen Partikelsträngen beinhaltet, verbessert. Auch dieses Modell liefert keine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den Messwerten, denn der Kopplungsbeitrag wird immer noch unterschätzt. Das liegt daran, dass die gewählte regelmäßige kubische Struktur für Aerogel zu ungenau ist. So geht bei der Berechnung des Kopplungsterms der bereits erwähnte hohe Beitrag durch tote Enden (und auch Windungen) verloren. Erfahrungsgemäß können jedoch alle für Aerogel erhaltenen gasdruckabhängigen Messkurven mit dem sogenannten Skalierungsmodell relativ gut beschrieben werden. Das entspricht dem Knudsen-Modell für reine Gaswärmeleitung, 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 höher sind als die Literaturwerte (ca. 0,3 auf Metalloberflächen): In den vermessenen RF- und Kohlenstoff-Aerogelen lassen sich Akkommodationskoeffizienten nahe 1 für Helium ab-leiten. Darüber hinaus ist das Skalierungsmodell gut geeignet, die mittleren Porengrößen poröser Materialien zuverlässig aus gasdruckabhängig gemessenen Wärmeleitfähigkeitskurven zu bestimmen. Dies stellt somit eine unkomplizierte und zerstörungsfreie Charakterisierungsmethode dar. / Common thermal insulation materials are macro porous material systems such as foams, powders, fleeces and fibers. Additionally, micro and meso porous thermal insulations such as aerogels are employed. In order to further optimize thermal insulation materials, the total heat transfer in porous materials has to be quantified. The individual heat transfer mechanisms solid thermal conduction, gaseous thermal conduction and thermal radiation can be described reliably by analytic models. But for some porous materials an interaction of the different heat transfer mechanisms, i.e. coupling of solid and gaseous thermal conduction, occurs and can contribute significantly to the total effective thermal conductivity. So far, it is hard to predict the amount of this coupling contribution for a certain sample. For a better understanding of the coupling effect of solid and gaesous thermal conduction, both experimental and theoretical investigations on different porous material systems are required. Additionally, a reliable theoretical model can help to determine the mean pore size of porous materials in a nonde-structive way from gas-pressure dependent thermal conductivity measurements. Highly porous aerogel was used as model system for the experimental investigations, because its structural properties such as pore size and density can be adapted relatively well during synthesis. Resorcinol formaldehyde aerogels with mean pore sizes of about 600 nm, 1 µm and 8 µm as well as corresponding carbon aerogels obtained by pyrolysis were synthesized and experimentally characterized regarding their structural and thermal properties. Their total ef-fective thermal conductivities were determined by means of hot-wire measurements in different gas atmospheres (carbon dioxide, argon, nitrogen and helium) as a function of gas pressure. For this purpose, the measurement range of the hot-wire apparatus at ZAE Bayern was extended up to 10 MPa using a pressure chamber. The measurement results show that in all aerogel samples an obvious amount of coupling between solid and gaseous thermal conduction occurs: The gas-pressure dependent thermal contributions measured are by a factor of 1.3 to 3.3 higher than the corresponding pure gaseous thermal conductivities, depending on the pore gas (gaseous thermal conductivity) and the kind of aerogel (solid thermal conductivity and solid backbone structure). For example, a strongly connected solid phase causes a lower cou-pling contribution than a loosely connected one. On the other hand, the gas-pressure dependent thermal conductivity of melamine resin foam – a flexible and highly porous material with open pores – was determined with an evacuable guarded hot-plate apparatus in a nitrogen atmosphere. For this kind of material the simple ad-dition of the individual thermal conductivities is observed, i.e. no coupling occurs for standard conditions. However, if compressed, the structure of melamine resin foam becomes irregular and coupling of solid and gaseous thermal conduction occurs. The more the melamine resin foam sample is compressed, the stronger is the coupling effect. For example, the measured gas-pressure dependent thermal coductivity belonging to a compression by 84 % exceeds the effective thermal conductivity of free nitrogen by about 17 % at 0.1 MPa. The experimental investigations were supplemented by theoretical considerations. First of all, coupling of solid and gaseous thermal conduction was described by means of a series connec-tion of the thermal resistances of the solid and the gas phase, in order to examine the depend-ence on different parameters. This investigation shows, that the coupling term depends on the ratios of solid and gaseous thermal conductivity as well as of the geometrical parameters in both phases. Furthermore, with the computer program HEAT2, finite difference calculations were performed for model structures that are characteristic of porous material systems, espe-cially aerogel (struts, necks, torsions and dead ends). The simulated gas-pressure dependent thermal conductivity data show clearly, that the solid backbone structure with the weakest connectivity, i.e. the dead end, causes the highest amount of coupling between solid and gas-eous thermal conduction. This agrees with the experimental results. Moreover, it was found that the total effective thermal conductivity of a weakly connected porous system, where a high coupling effect (serial connection) occurs, never becomes larger than that of a well-connected system with the same porosity, where the heat transfer in both phases happens mostly in parallel. Finally, three models were developed or rather modified, in order to be able to describe the gas-pressure dependent thermal conductivity of porous material systems theoretically. At first, a model originally developed for packed beds of spherical particles was adapted to aerogel, i.e. coupling of solid and gaseous thermal conduction was only taken into account for the gaps between two adjacent particles. Comparison with the experimental curves shows that the coupling term calculated is too low. Therefore, an already existing aerogel model with a cubic unit cell, which includes additional coupling between the individual particle strings, was improved. The agreement of this model with the measurement curves is also very poor, because the cou-pling contribution is still underrated. This is due to the chosen regular cubic structure being too imprecise for irregularly formed aerogel backbones. Thus, when calculating the coupling term, the above-mentioned high contribution due to dead ends (and also torsions) gets lost. Empiri-cally however, all gas-pressure dependent measurement curves received for aerogel, can be described relatively well by the so-called scaling model. This is Knudsen’s model for pure gaseous thermal conduction scaled with a constant factor. The application of this simple model to the experimental data shows that the accommodation coefficients of helium in aerogel are significantly higher than the literature values (around 0.3 on metal surfaces): Within the RF and carbon aerogels investigated accommodation coefficients close to 1 can be derived for helium. Moreover, the scaling model is suitable for a reliable determination of the mean pore sizes of porous materials from gas-pressure dependent thermal conductivity data. Therefore, a straightforward and nondestructive characterization method was found.

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. / 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.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die prinzipielle Eignung von porösen Vycor®-Gläsern als Feuchteregulierungsmaterial für den Einsatz im Baubereich erarbeitet. Im Speziellen wurden die Einflüsse der Herstellungsparameter auf die Glaseigenschaften entwickelt und optimiert. Die porösen Glasflakes wurden in angepasste Putzsysteme implementiert und praxisnahe Untersuchungen der Wirksamkeit durchgeführt. Unterstützt wurden die Ergebnisse durch auf Messwerten basierte Simulationen des Gebäudeklimas, welche auch die Auswirkungen bei verschiedenen klimatischen Bedingungen berücksichtigen. Der verwendete Prozess zur Herstellung der porösen Gläser basiert auf dem 1933 patentierten Vycor®-Verfahren [HOO34][HOO38]. Durch eine Temperaturbehandlung entmischt das homogene Natrium-Borosilicatglas in zwei perkolierende, interpenetrierende Phasen. Diese weisen deutlich unterschiedliche chemische Beständigkeiten auf. Durch Auflösen der instabileren Phase verbleibt ein poröses, fast reines Siliciumdioxidgefüge, dessen Struktur und Eigenschaften durch die Wahl der Prozessparameter eingestellt werden kann. Erstmals konnte gezeigt werden, dass poröse Vycor®-Gläser in der Lage sind, Wasser bei Raumtemperatur reversibel aufzunehmen, im Porensystem zu speichern und wieder abzugeben. Basierend auf dieser unerlässlichen Eigenschaft, konnten die Vycor®-Gläser durch eine Optimierung und ein besseres Verständnis der Herstellungsparameter hin zu einem Material mit wirklichen Feuchteregulierungseigenschaften qualifiziert werden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit (Kapitel 4.1 und 4.2) wurde der Einfluss der strukturbestimmenden Parameter Glaszusammensetzung, Partikelgröße bzw. -form und Entmischungsbedingungen auf das Sorptionsverhalten von Wasser dargestellt. Um die Wasseraufnahme und -abgabe sowie das Zusammenspiel (Zyklisierbarkeit) bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten zu untersuchen, wurde in einem Klimaschrank ein realitätsnahes Feuchte- und Temperaturprofil generiert. Hiermit konnte die Zyklisierbarkeit der porösen Gläser in Abhängigkeit der Glaseigenschaften beobachtet werden. Ergänzt wurde die Charakterisierung durch Stickstoffsorptionsuntersuchungen und REM-Aufnahmen. Bei der Glaszusammensetzung wurde der Einfluss des Siliciumdioxid-Anteils und des Boroxid zu Natriumoxid Verhältnisses auf das finale poröse Glas betrachtet. Es zeigte sich, dass Gläser mit einem geringeren SiO2 Anteil zu Gläsern mit einer höheren Porosität, einer höheren spezifischen Oberfläche und als Folge daraus zu einer besseren Zyklisierbarkeit führen. Die praktische Einsatzfähigkeit wird allerdings von einer ungenügenden mechanischen Beständigkeit von Gläsern mit Siliciumdioxidgehalten unterhalb von 50 MA% begrenzt. Das B2O3/Na2O-Verhältnis wirkt sich vor allem auf den Grad des Entmischungsverlaufs und damit auf die sich bildende interpenetrierende Struktur aus. Erkennbar ist dies an der zum Boroxidanteil indirekt proportionalen Transformationstemperatur. Dies zeigt sich ebenfalls bei den Zyklisierungsversuchen, bei denen sich die Wasseraufnahme bzw. -abgabe bei gegebener Temperatur und unterschiedlichem B2O3/Na2O-Verhältnis deutlich unterscheidet. Anhand der entsprechenden Stickstoffsorptionsuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Reaktionsvermögen eines porösen Glases auf einen Temperatur- und Feuchtezyklus, ein Zusammenspiel aus passendem Porendurchmesser und hoher spezifischer Oberfläche ist. Einen besonderen Aspekt der vorliegenden Arbeit stellt die Untersuchung von Glasflakes, flache Plättchen mit Dicken von einigen µm und Durchmessern von bis zu 1000 µm, dar. Diese können z. B. mittels eines Rotationsflakers hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die mit den Flakes versehenen Wandanstriche nicht nur bessere Verarbeitungseigenschaften aufweisen, sondern auch im Vergleich zu annähernd isotropen Partikeln signifikant verbesserte Sorptionseigenschaften besitzen. Die Ausbildung der Porengröße und damit der spezifischen Oberfläche verläuft hauptsächlich über den einstellbaren thermischen Entmischungsvorgang. Um die optimalen Parameter für die Feuchtigkeitsaufnahme und -abgabe zu finden, wurde in dieser Arbeit neben der Plateautemperatur auch die Entmischungsdauer variiert. Oberhalb von ca. 520 °C ist die charakteristische Phasenseparation energetisch begünstigt. Diese verstärkt sich mit steigender Temperatur, wodurch größere Entmischungsbezirke entstehen. Oberhalb von ca. 650 °C kommt es zum Zusammensintern der Glasflakes, sodass deren ursprüngliche Geometrie zerstört wird. Für Untersuchungen oberhalb dieser Temperaturen muss also das Rohglas entmischt und erst im nachfolgenden Prozess zu Pulver aufgemahlen werden. Glasflakes sind durch diesen Verarbeitungsprozess jedoch nicht mehr herstellbar. Ein entscheidendes neues Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die Porengröße innerhalb dieses Temperaturbereiches durch Anpassung der Entmischungstemperatur annähernd nanometer-genau eingestellt werden kann. Dies zeigt auch den großen Vorteil poröser Vycor®-Gläser im Vergleich zu anderen porösen Materialien. Für die Feuchteregulierung erwies sich ein Porendurchmesser von 3,8 nm, welcher durch eine Entmischungstemperatur von 533 °C generiert wird, als optimal. Die Dauer der Entmischung hat vor allem einen Einfluss auf den Fortschritt des Porenwachstums, nicht jedoch auf die Porengröße selbst. Nach ca. 30 Minuten kann das Entstehen der Poren erstmals eindeutig nachgewiesen werden. Der Entmischungsprozess ist nach ca. 24 Stunden abgeschlossen. Eine Verlängerung der Entmischungszeit hat keine weitere Veränderung der Porenstruktur zur Folge. In Kombination mit den Ergebnissen der Untersuchungen zum Einfluss des B2O3/Na2O-Verhältnisses konnte gezeigt werden, dass durch die Wahl der passenden Entmischungstemperatur die gewünschte Porengröße, in weiten Bereichen unabhängig vom B2O3/Na2O-Verhältnis, gezielt eingestellt werden kann. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Auslaugung hinsichtlich technischer Funktionalität und Umweltfreundlichkeit optimiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass neben Schwefelsäure auch Salzsäure zur vollständigen Auslaugung verwendet werden kann. Salzsäure kann im Gegensatz zu Schwefelsäure deutlich einfacher wieder aufgearbeitet werden (geringere Temperatur und Druck im Falle einer destillativen Aufarbeitung), was für die wirtschaftliche Anwendung von hoher Bedeutung ist. Weiterhin wurde die Konzentration der Säure verringert. Hierbei konnten bis zu einer Verdünnung auf 0,75 molare Salzsäure noch poröse Gläser mit vergleichbaren Zyklisierungswerten erhalten werden. Erst bei weiterer Verdünnung wurden die entmischten Glasflakes unvollständig ausgelaugt. Ein weiterer Einfluss der verwendeten Säureart oder der Konzentration auf die Porenstruktur bzw. die Porengröße konnte nicht gefunden werden. Wie in der Literatur beschrieben, wurde die Auslaugung der entmischten Gläser zunächst bei hohen Temperaturen oberhalb von 95 °C durchgeführt, sodass dieser Teilschritt viel Energie verbraucht [JAS01]. Um den Prozess ressourcenschonender aufzustellen, wurde im Kapitel 4.3 untersucht, welche Temperatur zwingend benötigt wird. Hierbei wurden die Temperatur und die Säurekonzentration variiert. Diese Parameter verändern den Anteil der Poren, jedoch nicht die Porengröße. Durch eine geringere Temperatur und geringere Säurekonzentrationen nimmt die Porosität ab. Eine Verlängerung der Auslaugedauer auf drei Stunden verbessert den Grad der Auslaugung erheblich. Da die Auslaugung bei 0,40 molarer Salzsäure nicht vollständig verläuft, wurde bei dieser Konzentration die Auslaugedauer nochmals einzeln betrachtet. Hierbei bestätigte sich, dass eine längere Auslaugung den Anteil der in der Entmischung eingestellten Poren vergrößert und auch die Zyklisierbarkeit (Massenhub) zunimmt. Die Werte von den mit 1,5 molarer Salzsäure ausgelaugten Gläsern können, trotz einer Dauer von bis zu acht Stunden, jedoch nicht erreicht werden. Eine alternative Möglichkeit um die Auslaugung ressourcenschonender zu gestalten, wurde mit dem neuen Ansatz die Synthese unter hydrothermischen Bedingungen durchzuführen, entwickelt. Hierbei wurden die entmischten Gläser entweder mit verdünnter Säure (0,75 mol/l HCl) oder mit Wasser in einem Autoklaven bei Temperaturen von 100 °C bis 200 °C, einem Reaktionsdruck von bis zu 30 bar und für bis zu 20 Stunden behandelt. Im Fall der Salzsäure verursachen alle drei Parameter eine Veränderung der Porenstruktur. In der Porengrößenbetrachtung mittels Stickstoffsorption erkennt man einen zweiten Peak bei größerem Durchmesser, wobei der ursprüngliche Peak abnimmt. Dies deutet auf ein Auflösen der ursprünglichen Porenwände hin. Die Zunahme des Porenvolumens und die Abnahme der spezifischen Oberfläche bestätigt diese Annahme. Da die resultierende Porenstruktur und die spezifische Oberfläche stark verändert werden, ist diese hydrothermale Methode zur Fertigung von Glasflakes für die Anwendung als Feuchtespeichermaterial nicht geeignet. Für andere Anwendungsfelder (siehe Seite 85) könnte diese Möglichkeit dennoch sehr interessant sein, da so leicht ein bimodales Porensystem hergestellt werden kann. Das Kapitel „Variation der Auslaugebedingungen“ wird mit Untersuchungen zur Wiederverwertbarkeit von Auslaugemedium und Borsäure abgeschlossen. Hierzu wird die gelöste Borsäure aus dem Auslaugemedium bei Raumtemperatur ausgefällt. Eine anschließende destillative Aufreinigung kann zu einem nahezu vollständigen Recycling, sowohl des Auslaugemediums als auch der Borsäure, führen. Neben dem Einfluss der Glasherstellung und der Herstellungsparameter auf die Wasserauf- und -abgabefähigkeit der porösen Gläser, wurden auch die Parameter der Klimaprofile (Raumtemperaturschwankungen, Änderung der Feuchtigkeit) genauer betrachtet. Die Sorption hängt stark von der Temperatur ab. Die Wasserabgabe wird durch eine höhere Temperatur (50 °C) erhöht und beschleunigt. Dieser Effekt zeigt sich auch bei der Zyklisierung. Der Massenhub beträgt bei 50 °C 12,1 MA%, bei 20 °C nur noch 3,3 MA% bei identischem Feuchte- und Zeitprofil. Die Kinetik der Wasseraufnahme und -abgabe wurde anhand von Klimaprofilen mit unterschiedlichen Änderungsraten untersucht. Hierbei fand die Feuchteänderung von 30 % auf 90 % innerhalb von einer Stunde, zwei Stunden und vier Stunden statt. Untersucht wurden die für den Einsatz als Feuchteregulierungsmaterial optimierten Glasflakes sowie Flakes mit größeren und kleineren Porendurchmessern. Bei allen Proben findet die Aufnahme deutlich schneller statt als die Desorption. Ein Grund hierfür ist der Flaschenhalsporeneffekt (siehe Seite 37). Des Weiteren ist bei den optimierten Glasflakes die Steigung der Massenänderung, unabhängig von der Feuchteänderungsrate, immer am größten. Diese Gläser sprechen also am direktesten auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit an und es bestätigt sich, dass die Einstellung der richtigen Porengröße entscheidend ist. Dies konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit realisiert werden. Darüber hinaus ermöglichen die Ergebnisse der Experimente zur Sorptionskinetik einen umfassenderen Blick auf die Sorption und dabei insbesondere auf die Poreneigenschaften und auf die Sorptionsvorgeschichte. Ebenfalls wurde die Alterung der Sorptionsfähigkeit untersucht. Bei bis zu 20 Wiederholungszyklen konnte kein negativer Effekt beobachtet werden. Die Wasseraufnahme und -abgabe hat neben dem feuchtigkeitsregulierenden auch eine energetische Auswirkung auf den Energiehaushalt in einem Gebäude. Da bei jeder Sorption Energie verbraucht bzw. frei wird, kann ein wärmeregulierender Effekt auftreten. Um diesen Effekt genauer zu quantifizieren, wurde die Desorption von konditionierten Gläsern mittels Differenzkalorimetrie untersucht. Der Energiebetrag kann sowohl bei den Glasflakes als auch bei den mit Flakes versetzten Putzen detektiert werden und korreliert mit der gespeicherten Wassermenge. Auch wenn die Einzelenergiemenge pro Vorgang sehr gering ist, so summiert sich diese bei den vielen Vorgängen über das Jahr hinweg zu einem erheblichen Gesamtenergiebetrag (ca. 6 % des Energieverbrauchs in einem Wohnhaus), welcher eine interessante Ergänzung zur Feuchtigkeitsregulierung darstellen kann. Mit den für die Wasserauf- und -abgabe optimierten porösen Gläsern wurden Wandanstriche (Putze und Farben) hergestellt (siehe Seite 112) und diese auf ihre Eignung als Feuchteregulierungsmaterial untersucht. Im Vergleich mit den Standardputzen haben die Klimaputze mit dem Zusatz von Glasflakes aktuell noch geringere mechanische Kennwerte, insbesondere Druckfestigkeit und Dynamisches E-Modul. Dies ist vor allem auf das lockere Gefüge durch die Beimischung der Glasflakes zurückzuführen. Die Beimengung führt umgekehrt aber zu einer Steigerung der Porosität und der spezifischen Oberfläche. REM-Aufnahmen belegen dies. Durch Optimierung der Putzzusammensetzung gibt es jedoch eine gute Chance, die mechanischen Eigenschaften der Klimaputze noch zu verbessern. Um den Feuchteregulierungseffekt besser einschätzen zu können, wurde in Zyklisierungsversuchen der Vycor®-Putz mit kommerziellen Putzen mit und ohne zusätzliche Regulierungsfunktionalität und anderen Feuchteregulierungsmaterialien, wie Zeolithen und Holzfaserplatten, verglichen. Dabei zeigte der Putz mit den optimierten Glasflakes eine deutlich höhere Wasseraufnahmekapazität, ein direkteres Ansprechverhalten auf Feuchtigkeitsschwankungen und einen sehr viel höheren Massenhub. Erkennbar wird dies vor allem beim realitätsnahen Vergleich von zwei Wandstücken. Hierfür wurden Trägerplatten als Basis sowohl mit einem Standardputz als auch mit dem Vycor®-Klimaputz aufgebaut. Das Vycor®-Wandsystem konnte den Feuchtigkeitssprung im Klimaschrank von 72 % r. L. auf 40 % r. L. vollständig abpuffern. Der Massenhub betrug mit ca. 13 g Wasser pro m2 Wandfläche sogar das Dreifache der eigentlich zu bindenden Wassermenge. In Zusammenarbeit mit der Universität Bayreuth konnten die im Labor gewonnen Ergebnisse mittels Simulationsberechnungen untermauert werden. Mit dem Software-Tool WUFI (Wärme und Feuchte instationär) konnte sowohl eine Regulierung der jahreszeitlichen Feuchteschwankungen als auch ein positiver Effekt auf das Wohlbefinden der Bewohner gezeigt werden. Durch die Simulationen, deren Eingangswerte auf realen Messwerten basieren, konnte nachgewiesen werden, dass sowohl poröse Gläser als auch die mit porösen Glasflakes versetzen Baustoffe einen deutlich messbaren positiven Effekt auf das Raumklima haben. Der direkte Nachweis, also ein positiver Effekt des porösen Glases auf das Raumklima, wurde bisher nur in Simulationen modelliert und ist unter realen Versuchsbedingungen noch zu prüfen. Hierzu müsste ein Testraum aufgebaut und über längere Zeit vermessen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an Hand der voran beschriebenen Ergebnisse das poröse Glassystem der Vycor®-Gläser hinsichtlich seiner kontrollierten Sorptionseigenschaften für eine Anwendung als Feuchteregulierungsmaterial entwickelt. Im Zuge dessen wurde ein besseres Verständnis für die Abläufe und Mechanismen der auftretenden spinodalen Entmischung erarbeitet. Weiterhin konnten die Zusammenhänge zwischen den Poreneigenschaften und der Sorption von Wasser tiefgehender verstanden werden, sodass wichtige Erkenntnisse gewonnen werden konnten, um poröses Vycor®-Glas als Modellsystem für Entmischung und Sorption weiter zu etablieren. / In the present work, the principles of the application of porous Vycor®-glass as a humidity regulation material for civil engineering applications were investigated. First, the influences of production process parameters on the glass properties were developed and optimized. Then, the adapted porous glass flakes were implemented in customized plaster systems. These plasters were characterized in application-oriented studies. The results were supported by simulations of the indoor climate, based on measured data. Within these simulations the impact of different climatic conditions were regarded. The production process of the porous glasses is based on the 1933 patented Vycor®-method [HOO34][HOO38]. The homogeneous alkali borosilicate glass separates into two percolating phases by a heat treatment, one phase is almost pure SiO2 glass, and the other an almost pure sodium borate glass. The two phases have a different chemical resistance towards acids and after dissolving the unstable sodium-borate phase, an almost pure silicon dioxide framework remains. The structure and the properties of this porous SiO2-structure depend significantly on the process parameters. In the first part of this thesis (Chapter 4.1 and 4.2), the influence of structural determining parameters (the glass composition, the particle size and particle shape and the conditions of the phase separation) on the water sorption properties were investigated. To determine the water absorption and release, as well as the interaction (cyclisation) at different relative humidities, a realistic humidity and temperature profile was generated in a climate chamber. Hereby, the cyclisation of the porous glasses could be correlated with the glass properties. These investigations were complemented by nitrogen sorption measurements and SEM investigations. To further consider the influence of the glass composition on the porous glass, the silica content and the ratio of boron oxide to sodium oxide were varied. It was found that a lower SiO2 content causes a higher porosity, a higher specific surface area and, hence, a better cyclisation behavior of the final product. But this effect is limited by the mechanical durability of the glass which is only stable up to 50 MA%. The ratio of B2O3/Na2O especially affects the degree of the phase separation at a given temperature. This can be already perceived by the transformation temperature, which decreases with increasing boron content in the glass. This was also confirmed by the water sorption experiments: The water uptake and release at a given temperature differs significantly with different B2O3/Na2O ratios in the initial glass. Regarding the corresponding nitrogen sorption measurements, it was shown that a high sorption capacity towards a temperature and humidity cycle is triggered by a combination of suitable pore diameter and high specific surface. A very important and also new aspect of this thesis is the investigation of glass flakes, with a thickness of a few μm and diameters of up to 1000 μm. These flitters can be produced by means of a rotary flaker. The wall paints made with these glass flakes show a better handling than with isotropic particles, additional these wall paints also have significantly improved sorption properties in comparison to similar glass powders with an isotropic particle size. The formation of the pores and hence the specific surface area of the porous SiO2-network is mainly determined by the adjustable thermal phase separation process. In order to find the optimum parameters to guarantee high water absorption and release capacity, the plateau temperatures as well as the time of this heat treatment were varied. Above 520 °C, the formation of the characteristic phase separation is entropically favored. With increasing temperature the kinetics of the demixing is accelerated and the size of the phase separated domains increase. Above approximately 650 °C the glass flakes sinter and thus their original geometry is destroyed. To investigate the influence of higher temperatures, the raw glass must be phase separated and grinded to powder in a subsequent process step. However, only spherical particles can be produced this way, but no particles in a flake shape. A new and also a key result of this work is, that the pore size, within the range of 2 to 35 nm, can be adjusted with a reproducibility less than one nanometer by adjusting the separation temperature precisely. This tunability is a great advantage of the porous Vycor®-glass in comparison to other porous materials. To regulate the humidity very effective, a pore diameter of 3.8 nm, which is generated by a phase separation temperature of 533 °C, was proved to be the best. The duration of the separation process has mainly an impact on the progress of the pore growth, but less on the pore size itself. After about 30 minutes phase separation time, the formation of pores can be detected. This process is completed after 24 hours. Any additional extension of the phase separation time has no further impact on the pore structure of the phase separated glass. In combination with the results of studies on the influence of the B2O3/Na2O ratio it was shown that any desired pore size can be adjusted in a wide range by selection of the phase separation temperature almost independent of the B2O3/Na2O ratio. In the second part of this work, the leaching step was optimized with regard to technical applicability and environmental friendliness. It was shown that the acid needed to dissolve the sodium borate glass could be changed from sulfuric acid to hydrochloric acid without any loss in function. Hydrochloric acid can be much better recycled, e. g. by a distillation process, than sulfuric acid. Furthermore, the concentration of the acid was reduced in comparison to the standard procedure. Above a dilution of 0.75 molar hydrochloric acid, comparable cyclisation properties could be obtained for the porous glasses. Only when the acid is further diluted, the separated glass flakes were leached out incomplete. In addition no effect on the pore structure and the pore size of the type of acid or the concentration was found. As described in the literature, the leaching of separated glasses is performed at high temperatures (usually more than 95 °C). Obviously, this process step consumes a lot of energy [JAS01]. In order to reduce the energy consumption, the leaching was examined as a function of the temperature in Chapter 4.3. Besides the temperature, also the concentrations of the acids investigated here were reduced to significant lower values. The variation of these parameters does not change the pore size, but the number of pores: Applying a lower temperature and lower acid concentration, the porosity decreases. An extension of the leaching time up to 3 hours improves the degree of leaching. Since the leaching with 0.40 molar HCl is far from complete, the influence of the time of leaching was investigated at this concentration. It can be confirmed that a longer leaching time increases the fraction of pores, generated in the phase separation, and subsequently the cyclisation properties of the final material were ameliorate. However, the values obtained from the porous glasses leached with 1.5 molar HCl cannot be achieved, even after 8 hours of leaching. An alternative route for a more resource-efficient leaching process can be the new concept of a leaching under hydrothermal conditions. In order to investigate this process, the glasses were separated and treated with a dilute acid (0.75 mol/l HCl), as well as with pure water in an autoclave at temperatures of 100 °C to 200 °C, a reaction pressure of up to 30 bar and for up to 20 hours. In the case of hydrochloric acid, all three parameters cause a change of the pore structure. In the pore size distribution as obtained from the nitrogen sorption measurements, a second peak occurs at larger diameters, while the height of the initial peak decreases. This indicates a considerable dissolution of the original pore walls. The increase of the pore volume and the decrease of the specific surface area confirm this assumption. Because of the extreme change of the resulting pore structure, this method is not suitable for the preparation of porous glass for the moisture regulation. Nevertheless, due to the bimodal pore system, porous glass obtained by a leaching under hydrothermal conditions can be of interest for other applications. Chapter 4.3 is completed with an examination of the recyclability of leaching medium and boric acid, the latter being the most precious medium in the process. For this purpose, the dissolved boric acid is precipitated from the leaching medium at room temperature. A subsequent purification by atmospheric distillation completes the recycling of the leaching medium as well as the boric acid. Besides the impact of the glass production process and the production parameters on the water uptake and release, the dynamics of the moisture uptake and releases under conditions relevant for building applications were investigated. The sorption is strongly influenced by the temperature. The release of water is similarly accelerated and increased by a higher operation temperature (50 °C). This effect can also be observed by an increased cyclisation. The difference between the mass maximum and the mass minimum with an identical humidity and time profile is 12.1 MA% at 50 °C and only 3.3 MA% at 20 °C. The kinetics of the water uptake and release was investigated in experiments, where the humidity changes (from 30 % to 90 %) were performed within 1 hour, 2 hours and 4 hours. For this study, glass flakes with optimized pore size (3.8 nm), as well as flakes with larger and smaller pores were investigated. All samples show a significantly faster water adsorption than desorption. One reason for this observation is the “bottleneck pore effect” (see page 37). Furthermore, the slope of the mass change of the optimized glass flakes is always larger irrespective of the moisture gradient. This confirms that the proper pore size is very decisive for the cyclisation dynamics and could be realized in this thesis. Moreover these results provide the possibility to a more comprehensive picture of the sorption, in particular not only as a function of the pore properties, but also on the sorption history. Besides the moisture-regulation, the sorption of water also causes an energetic effect in a living room. The adsorption consumes energy, while the desorption release energy and so an additional heat-regulating effect may occur. In order to quantify this effect, the desorption of conditioned glasses were examined with DSC. These experiments were performed for the pure glass flakes, as well as for the finery system containing these flakes. The results were correlated with the amount of water, which can be stored in the porous system. Although the amount of energy per single sorption step is very low, due to the large number of cyclisations during a year, the total amount of energy can be about 6 % of the energy consumption of a dwelling. So the energy effect is an interesting surplus to the moisture regulation of porous glasses, in particular since it is a “passive” effect. Using porous glasses optimized for the moisture regulation, wall coatings were prepared (see page 112). The whole system was investigated for its suitability as a moisture regulating material. Currently, the plasters with the glass flakes have still a lower mechanical performance in comparison with the standard plasters, especially the compressive strength and the dynamic Youngs-modulus (3268 N/mm² to 1099 N/mm2) are significantly decreased. This is mainly due to the loose structure, resulting from the addition of the glass flakes. On the other hand, this incorporation also leads to an increase in the porosity. Nevertheless, there is a good chance to improve the mechanical properties by optimizing the finery composition. To classify the moisture regulating performance of the Vycor®-finery, benchmark tests were performed where the materials was incorporated into commercial plasters (with and without regulatory functions), zeolite and fiberboard wall plates were selected. These very different materials were compared in cyclisation tests. Here the plaster with the optimized glass flakes show a significantly higher water adsorption capacity, a quicker response to humidity changes and much higher dynamics of water uptake and release in comparison to the other materials. This was verified practically by investigating two wall pieces constructed by using the Vycor®-glass containing concrete. Samples with classical finery and Vycor®-finery were applied on a support plate and exposed to a climate profile. Hereby the Vycor®-wall system was able to adsorb the water amount completely, originating mitted from a humidity change of 72 % r. h. to 40 % r. h. With about 13 g of absorbed water per m2 wall, the water regulation capacity of the wall system was even three times higher than necessary for a typical residential building. In cooperation with the University of Bayreuth, the obtained experimental results were supported by simulation experiments. The commercial tool WUFI (Wärme und Feuchte instationär) confirms a significant equilibration of seasonal humidity fluctuations, even for buildings in different climatic regions, for buildings where the walls were setup by plasters containing the porous glass. In addition, due to the more balanced humidity, there is also a positive effect on the wellbeing of the residents. The simulations, based on real measured data, demonstrated that not only the porous glass flakes itself, but also the finery with the porous glass additives have a significant effect on the indoor climate. This effect, a positive effect of the porous glass on the indoor climate has been modeled in simulations and must be examined in a real experimental setup e.g. by investigating a model room or building. In this work, the porous glass system obtained by thermal separation of the Vycor®-glasses was optimized with regard to its controlled sorption properties for the application as a moisture control material. In this course, a better understanding of the underlying processes and mechanisms of the spinodal separation was developed. In addition, the interaction between pore properties and the sorption of water could be understood more in detail, so that important findings could be gained in order to establish porous Vycor®-glass as a model system for phase separation and sorption.

Gegenstand dieser Arbeit sind zwei Problemstellungen der Mikroelektronik. Dies ist einerseits die Notwendigkeit zur Erzeugung kleiner Strukturgrößen um Untersuchungen an diesen durchzuführen. Innerhalb dieser Arbeit wurden ultraschmale Leitbahnen mit herkömmlichen Prozessen hergestellt, was den Einsatz neuer Lithographieanlagen oder auflösungsverbessernden Maßnahmen nicht notwendig macht. Hierzu wurde für zwei Verfahren, die Backfill- und die TiN-Spacer-Technologie, die Prozessschritte entwickelt und untersucht und beide Technologien hinsichtlich der erreichbaren Strukturgrößen bewertet. Das zweite Thema dieser Arbeit war das pore sealing von porösen low-k-Dielektrika. Für diese Untersuchungen wurden verschiedene pore sealing Methoden wie Plasmabehandlungen oder dünne Schichten (Liner) angewandt. Die Effektivität dieser Methoden, auch in Abhängigkeit von low-k-Materialien mit verschiedenen Porengrößen, wurde durch Rasterelektronenmikroskopie, Untersuchung der Barrierestabilität und Untersuchung von Diffusion der Barriere in das Dielektrikum mittels TEM und EDX line scan bestimmt. / This work is concerned with two problems of microelectronic research. This is first the need for small features sizes to carry out investigations on them. Within this work very narrow conductor lines were fabricated with conventional processes. So the use of new lithography tools or resolution enhancement techniques was not necessary. For two technologies, the Backfill and the TiN spacer technology, the process steps were developed and investigated and both technologies were evaluated regarding the reachable feature sizes. The second topic was pore sealing of porous low k dielectrics. For these investigations various pore sealing methods like plasma treatments or thin films (liner) were applied. The effectiveness of these methods, also depending of low k materials with different pore sizes, were investigated by scanning electron microscopy, by barrier integrity investigations and by investigations of barrier diffusion into the dielectric material using TEM and EDX line scan.

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines bisher fehlenden rechnerischen Bemessungsverfahrens für die Sprengverdichtung von annähernd wassergesättigten, granularen Lockergesteinen. Gestützt auf experimentelle Erkenntnisse aus Modellversuchen mit Einzelsprengungen wird eine neue Hypothese zum Mechanismus von Verdichtungssprengungen aufgestellt. Ausgehend von den Erhaltungsgleichungen der mit dem Konzept der Volumenfraktionen erweiterten Theorie poröser Medien wird mit Hilfe einer deduktiven konstitutiven Analyse eine allgemeine, konsistente Theorie zum Verhalten von Lockergesteinen unter der Belastung von Sprengungen formuliert und durch Einbeziehen der Theorie der Hypoplastizität sowie weiterer induktiver konstitutiver Gleichungen in eine geschlossene, spezielle Theorie überführt. Die Anwendung der allgemeinen Theorie auf den Fall einer quasieindimensionalen Bewegung führt auf eine spezielle Nahfeldtheorie, deren numerische Lösung in guter Übereinstimmung mit den erzielten experimentellen Ergebnissen steht. Durch systematische Berechnungen wird der Einfluss von geotechnischen und sprengtechnischen Eingangsgrößen auf die Wirksamkeit von Einzelsprengungen in Böden untersucht und ein verbessertes Verfahren zur Dimensionierung von Verdichtungssprengungen wird vorgeschlagen.

This paper presents the theoretical background of a phenomenological biphasic material approach at large strains based on the theory of porous media as well as its numerical realization within the context of an adaptive mixed finite element formulation. The study is aimed at the simulation of coupled multiphysics problems with special focus on biomechanics. As the materials of interest can be considered as a mixture of two immiscible components (solid and fluid phases), they can be modeled as saturated porous media. For the numerical treatment of according problems within a finite element approach, weak formulations of the balance equations of momentum and volume of the mixture are developed. Within this context, a generalized Lagrangean approach is preferred assuming the initial configuration of the solid phase as reference configuration of the mixture. The transient problem results in weak formulations with respect to the displacement and pore pressure fields as well as their time derivatives. Therefore special linearization techniques are applied, and after spatial discretization a global system for the incremental solution of the initial boundary value problem within the framework of a stable mixed U/p-c finite element approach is defined. The global system is solved using an iterative solver with hierarchical preconditioning. Adaptive mesh evolution is controlled by a residual a posteriori error estimator. The accuracy and the efficiency of the numerical algorithms are demonstrated on a typical example.

Poröse Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen und Porenvolumina, eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie hohe mechanische und chemische Stabilität aus. Sie werden in Anwendungen wie der Gasspeicherung oder der elektrochemischen Energiespeicherung eingesetzt. Besondere Aufmerksamkeit erfährt momentan die Energiespeicherung, unter anderem durch die fortschreitende Verbreitung der Elektromobilität. Als besonders effizient haben sich elektrochemische Energiespeichermaterialien, zum Beispiel für Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Batterien, herausgestellt. Ein vielversprechendes Batteriesystem ist die Lithium-Schwefel-Batterie (LiS-Batterie). Mit diesem System können wesentlich höhere gravimetrische Energiedichten als mit Lithium-Ionen-Batterien erreicht werden. Poröser Kohlenstoff stellt aufgrund der hohen Porosität, der guten elektrischen Leitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit ein ideales Elektrodenmaterial für die Anwendung sowohl in EDLCs als auch in LiS-Batterien dar. Bei den im industriellen Maßstab am häufigsten eingesetzten Aktivkohlen ist nachteilig, dass während der Synthese nur begrenzte Kontrolle über das Porensystem vorhanden ist. Zudem sind die Poren oft flaschenhalsartig, was zu einer schlechten Zugänglichkeit des Porensystems führt und dadurch den Stofftransport limitiert. Eine verbesserte Kontrolle über das Porennetzwerk bieten das Templatverfahren oder die Synthese von Kohlenstoffen aus Carbiden. Diese Methoden ermöglichen es zudem, Poren unterschiedlicher Größe, das heißt, ein hierarchisches Porensystem, einzubringen. Dies ist vorteilhaft für Prozesse, in denen sowohl eine hohe Adsorptionskapazität als auch ein schneller Stofftransport notwendig sind. Die meisten dieser Synthesen haben die Nachteile, dass sie komplex sind und viel Abfall produzieren. Eine vergleichbar neue Methode zur Herstellung von hierarchischen Kohlenstoffen ist die Synthese von Kroll-Kohlenstoffen über eine reduktive Carbochlorierung. Dieses Verfahren ist dem Schlüsselschritt des Kroll-Prozesses zur Herstellung von Titan nachempfunden. Dafür werden oxidische Nanopartikel mit Kohlenstoff beschichtet und durch Behandlung mit heißem Chlorgas in Kohlenstoff überführt. Diese Synthese ermöglicht neben der Kontrolle der Mesoporengröße über die Größe der Nanopartikel gleichzeitig die Einbringung von Mikroporen durch das Ätzen von Kohlenstoff während der Carbochlorierung, sodass in wenigen Syntheseschritten ein hierarchisches Porensystem generiert werden kann. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich der Ansatz der Carbochlorierung auf weitere Systeme übertragen lässt. Durch postsynthetische Aktivierung wurde die Porosität von Kroll-Kohlenstoff unter Erhalt der Porenstruktur gesteigert. So war es möglich, Kohlenstoffe mit spezifischen Oberflächen von mehr als 2700 m²/g und Porenvolumina von 3 cm³/g zu synthetisieren. Die Mesoporenstruktur konnte aufrechterhalten werden, während sowohl der Anteil von Meso- als auch Mikroporen erhöht werden konnte. Aktivierter Kroll-Kohlenstoff wurde in EDLCs als Elektrodenmaterial untersucht. Mit 1 M Schwefelsäure als Elektrolyt konnten spezifische Kapazitäten von 160 F/g über galvanostatische Lade-/Entlademessungen erreicht werden, wobei bei hohen Lade-/Entladeströmen von 10 A/g noch 87 % der Maximalkapazität abgerufen werden konnten. Weiterhin wurde der Frage nachgegangen, ob mittels Carbochlorierung geordnete mesoporöse Kohlenstoffe synthetisiert werden können. Dafür wurden sowohl Harttemplat- als auch Weichtemplatmethoden eingesetzt. Im Harttemplatverfahren war es möglich, geordneten mesoporösen Kohlenstoff DUT-118 zu synthetisieren.7 DUT-118 weist eine höhere spezifische Oberfläche und ein höheres Porenvolumen im Vergleich zu Kohlenstoff auf, der über das klassische „Nanocasting“ hergestellt wird. Durch die Carbochlorierung kann zudem der Mikroporenanteil des Materials im Vergleich zur klassischen Templatentfernung gesteigert werden, was durch Präadsorptionsexperimente mit n-Nonan nachgewiesen wurde. In einer weichtemplatgestützten Synthese konnte geordneter mesoporöser Kohlenstoff DUT-119 aus Oxid/Kohlenstoff-Kompositen mittels Carbochlorierung synthetisiert werden. DUT-119 verfügt über eine spezifische Oberfläche von über 2200 m²/g, ein Porenvolumen von mehr als 2 cm³/g und ein hierarchisches Porensystem. Aufgrund des hierarchischen Mikro-/Mesoporensystems ist DUT-119 hervorragend als Kathodenmatrix in LiS-Batterien geeignet. Besonders hervorzuheben ist die geringe Menge an eingesetztem Elektrolyt von nur 5 μL/mgSchwefel. Die gefertigte Zelle ist über 50 Zyklen stabil und verfügt über eine herausragende Flächenkapazität von 3,7 mAh/cm² nach 50 Zyklen. Verstärkt im Fokus der Forschung stehen Kohlenstoffe, welche mit Heteroatomen dotiert sind. Durch Dotierung können die Eigenschaften der Kohlenstoffe hinsichtlich Polarität oder elektrochemischer Eigenschaften optimiert werden.8,9 Deshalb wurde untersucht, ob über die Carbochlorierung stickstoffdotierter Kohlenstoff synthetisiert werden kann. Dafür wurde ein metallorganisches Netzwerk (MOF) zu Kroll-Kohlenstoff DUT-127 umgesetzt. In Abhängigkeit von der Synthesetemperatur von 600–900 °C konnten spezifische Oberflächen von 1450–2750 m²/g und Porenvolumina zwischen 0,8 und 2 cm³/g erreicht werden. Da das eingesetzte MOF Aminogruppen enthielt, sind in DUT-127 Stickstoffdotierungen vorhanden, was zu einer verringerten Hydrophobie führt. DUT-127 wurde als Elektrodenmaterial in EDLCs eingesetzt. Mit 1 M Schwefelsäure konnten spezifische Kapazitäten von 165 F/g, ermittelt über galvanostatische Lade-/Entlademessungen, erreicht werden. Besonders bei hohen Lade-/Entladeströmen von 12,5 A/g konnten über 90 % der maximalen Kapazität abgerufen werden. Weiterhin ist die hohe Arbeitsfrequenz von über 25 Hz hervorzuheben. Beides wird durch die gute Benetzbarkeit, das ausgeprägte Transportporensystem sowie die geringe Partikelgröße ermöglicht. Der große Vorteil der Synthese von Kroll-Kohlenstoffen über die Carbochlorierung ist der Verzicht auf Lösemittel während der Templatentfernung. Wünschenswert ist es, zukünftig ebenfalls die Synthese der Präkursoren und Template möglichst lösemittelfrei zu gestalten. Die Porenstruktur (Textur) eines porösen Materials bestimmt in großem Maße die Leistungsfähigkeit in einer bestimmten Anwendung. Deshalb wird der exakten Charakterisierung des Porensystems viel Aufmerksamkeit gewidmet. Neben Methoden wie der Gasadsorption sind bildgebende Verfahren ein wichtiges Hilfsmittel, um Informationen über Porengröße, -geometrie und -konnektivität zu erhalten. In einem ersten „Proof of Concept“ wurden die Porensysteme nanoporöser Materialien mit definierter Porenstruktur durch Röntgenmikroskopie untersucht. Dabei konnten Poren bis zu einer Größe von etwa 60 nm aufgelöst werden. Weiterhin war es möglich, aus den aufgenommenen Bilderserien Rekonstruktionen zu erstellen, wodurch Einblicke in das Innere des Partikels möglich wurden. Für die erfolgreiche Rekonstruktion einer Bilderserie ist es notwendig, dass diese optimal ausgerichtet ist. Aufgrund der hohen Uniformität der untersuchten Proben ist dies ein anspruchsvoller Prozess, der noch weiter optimiert werden muss. Dadurch könnten weitere Einblicke in die untersuchten Proben, beispielsweise durch eine quantitative Diskussion der Porosität, gewonnen werden.

Gegenstand dieser Arbeit sind zwei Problemstellungen der Mikroelektronik. Dies ist einerseits die Notwendigkeit zur Erzeugung kleiner Strukturgrößen um Untersuchungen an diesen durchzuführen. Innerhalb dieser Arbeit wurden ultraschmale Leitbahnen mit herkömmlichen Prozessen hergestellt, was den Einsatz neuer Lithographieanlagen oder auflösungsverbessernden Maßnahmen nicht notwendig macht. Hierzu wurde für zwei Verfahren, die Backfill- und die TiN-Spacer-Technologie, die Prozessschritte entwickelt und untersucht und beide Technologien hinsichtlich der erreichbaren Strukturgrößen bewertet. Das zweite Thema dieser Arbeit war das pore sealing von porösen low-k-Dielektrika. Für diese Untersuchungen wurden verschiedene pore sealing Methoden wie Plasmabehandlungen oder dünne Schichten (Liner) angewandt. Die Effektivität dieser Methoden, auch in Abhängigkeit von low-k-Materialien mit verschiedenen Porengrößen, wurde durch Rasterelektronenmikroskopie, Untersuchung der Barrierestabilität und Untersuchung von Diffusion der Barriere in das Dielektrikum mittels TEM und EDX line scan bestimmt. / This work is concerned with two problems of microelectronic research. This is first the need for small features sizes to carry out investigations on them. Within this work very narrow conductor lines were fabricated with conventional processes. So the use of new lithography tools or resolution enhancement techniques was not necessary. For two technologies, the Backfill and the TiN spacer technology, the process steps were developed and investigated and both technologies were evaluated regarding the reachable feature sizes. The second topic was pore sealing of porous low k dielectrics. For these investigations various pore sealing methods like plasma treatments or thin films (liner) were applied. The effectiveness of these methods, also depending of low k materials with different pore sizes, were investigated by scanning electron microscopy, by barrier integrity investigations and by investigations of barrier diffusion into the dielectric material using TEM and EDX line scan.

Reliable information about the micro-processes during filtration and dewatering of filter cakes allows more accurate statements about process development and design in any industrial application with solid-liquid separation units. Distributed particle properties such as shape, size, and material influence the formation of the porous network structure, which can show considerable local fluctuations in vertical and horizontal alignment in the cake forming apparatus. The present work relates to a wide range of particle sizes and particle shapes and presents their effects on integral, but preferably local, structural parameters of cake filtration. Current models for the relationship between particle properties and resulting porous structure remain inaccurate. Therefore, the central question focus on the model-based correlation between obtained tomographic 3D information and characteristic cake and process parameters. In combination with X-ray computed tomography and microscopy (ZEISS Xradia 510), data acquisition of the structural build-up of filter cakes is possible on a small scale (filter area 0.2 cm²) and a conventional laboratory scale (filter area 20 cm², VDI 2762 pressure nutsch). Thereby, the work focuses on structural parameters at the local level before, during, and after cake dewatering, such as porosity, coordination number, three-phase contact angle, characteristics of pores and isolated liquid regions, the liquid load of individual particles, tortuosity, and capillary length, and the corresponding spatial distributions. Seven different particle systems in the range of 20 and 500 µm, suspended in aqueous solutions with additives for contrast enhancement, served as raw materials for the filter cake formation. Image data processing from 16-bit greyscale images with a resolution of 2 to 4 µm/voxel edge length includes various operations with a two-stage segmentation to identify air, solid particles, and liquid phase, resulting in a machine learning-based automated approach. Subsequent modeling and correlation of measured parameters rely on experimentally verified quantities from mercury porosimetry, laser diffraction, dynamic image analysis, static and dynamic droplet contour analysis, as well as filtration and capillary pressure tests according to VDI guidelines. The tomography measurements provide microscopic information about the porous system, quantified using characteristic key parameters and distribution functions. By studying the cake structure concerning the local distribution of particle size and shape and the resulting porosity, segregation effects can be avoided by increasing the feed concentration of particles, whereby swarm inhibition of particles in the initial suspension strongly hinders or completely suppresses layer formation in the cake according to distributed particle properties (Publication A). In the subsequent dewatering of the filter cake to the irreducible saturation, the measurement of the local coordination number as well as the remaining liquid volumes at the particle contacts allows the determination of a discrete liquid load distribution by correlation with the respective particle volume (Publication B). The determination of the capillary length - shortest capillary for single-phase pore flow and capillary of least resistance for multiphase pore flow - provides modeling approaches for the cake formation from publication A as well as the dewatering process from publication B (Publication C). The parameter sets obtained also help to transfer and extend existing, theoretical models of multiphase pore flow to the application example of filter cake dewatering (Publication D). At the microscopic level, the measurement of the three-phase contact angle at isolated liquid volumes within the porous matrix provides a deeper understanding of the macroscopic models from publications C and D (Publication E).:List of Figures List of Tables Notation 1 Introduction 2 Multiphase Processes in Porous Media 2.1 Cake Filtration and Single Phase Porous Media Flow 2.2 Cake Dewatering 2.2.1 Particle Surface Wettability 2.2.2 Capillarity in Porous Media 2.2.3 Static Capillary Pressure 2.2.4 Dynamic Capillary Pressure 3 Acquisition of 3D Information of Porous Media 3.1 Absorption and Scattering of X-rays 3.2 X-ray Microscopy 3.2.1 Image Acquisition 3.2.2 Image Reconstruction 3.2.3 Image Quality and Artifacts 3.3 Image Post-Processing 3.3.1 Image Enhancement 3.3.2 Segmentation and Thresholding 3.3.3 Processing Binary Images 3.4 Image Measurement 4 Materials and Methods 4.1 The Solid Phase 4.2 The Liquid Phase 4.3 Suspension Stability 4.4 Experimental Design and Down-Scale for Tomography Measurements 4.5 Experimental Characterization of Filtration and Dewatering Properties 4.5.1 Cake Filtration 4.5.2 Cake Dewatering (Capillary Pressure Measurements) 5 Conclusion and Outlook Literature Publications A to E Appendix

In this work mesoporous organisilica materials are synthesized through the silica sol-gel process. For this a new class of precursors which are also surfactant are synthesized and self-assembled. This leads to a high surface area functionality which is analysized with copper (II) and water adsorption. / Im Rahmen dieser Arbeit werden mesoporöse Amin-funktionalisierte Organo-Silikate durch den Silika Sol-Gel Prozess hergestellt. Dabei werden neue Alkoxysilyl-Precursoren synthetisiert und condensiert die die gewünschte Funktion auf die Oberfläche dirigieren. Herstellt werden primäre, secundäre und chirale Amine. Die Oberflächenfunktionalität wird mit Kupfer (II) und Wasser Adsorption analysiert.