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.

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (engl. Electrochemical Double-Layer Capacitors, EDLCs) stellen eine zunehmend wichtige Technologie auf dem Markt der elektrischen Energiespeicher dar. Sie zeichnen sich durch die Aufnahmefähigkeit großer Energiemengen, eine hohe Langzeitstabilität und ein schnelles Ansprechverhalten aus. Diese Eigenschaften sind Gründe, weshalb EDLCs als Speicherbausteine für Energierück-gewinnungssysteme oder zur Stabilisierung der Stromversorgung in diversen elektronischen Bauelementen eingesetzt werden. Die Aufnahme der Energie erfolgt über Ladungsseparation von Elektrolytionen an der Elektrodenoberfläche. Die Kapazität der Speicherfähigkeit wird dabei maßgeblich vom Betrag der Elektrodenoberfläche und dem Abstand der Elektrolytionen zur Oberfläche der Elektrode bestimmt (bei gleichbleibendem Elektrolyten). In der gegenwärtigen Forschung werden neue Elektrodenmaterialien entwickelt, um über deren Systemeigenschaften, wie Leitfähigkeit und Porosität, die Leistungsfähigkeit der Doppelschichtkondensatoren weiter zu optimieren. Gängige Komponenten für Elektroden in diesen Bauelementen stellen Kohlenstoffmaterialien dar, da diese chemisch inert und zumeist kostengünstig in der Produktion sind. In der vorliegenden Arbeit sollte die Eignung der Materialklasse der Siliziumoxykarbid-abgeleiteten Kohlenstoffe (engl. Silicon Oxycarbide-Derived Carbons, SiOCDCs) für die Anwendung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren untersucht werden. Die SiOCDCs wurden über die Pyrolyse (700 – 1500 °C) und Chlorierung (700 – 1000 °C) eines kohlenstoffreichen Polysilsesquioxans mit der theoretischen Zusammensetzung C6H5SiO3/2 erzeugt. Dabei zeigte sich, dass sowohl die porösen Eigenschaften als auch die Leitfähigkeit innerhalb der erhaltenen Kohlenstoffmaterialien stark von der Synthesetemperatur abhängen. Somit konnten reine Kohlenstoffe mit spezifischen Oberflächen bis zu 2400 m2 g-1 und Porenvolumina von 1,9 cm3 g-1 synthetisiert werden. Im Verlauf der Arbeit wurde eine geeignete Methode zur Verarbeitung der erzeugten Oxykarbid-abgeleiteten Kohlenstoffe zu Elektroden evaluiert, um eine elektrochemische Charakterisierung vorzunehmen. Ein vielversprechender Ansatz stellt die vollkommen trockene Umsetzung der SiOCDCs zu freistehenden Elektrodenschichten dar. Dieses Verfahren nutzt die Verreibung der Aktivkomponente mit einem geringen Anteil (5 Gew.-%) eines Bindemittels (Polytetrafluorethylen, PTFE) aus, um flexible und selbsttragende Elektrodenfolien zu erzeugen. Die Vorteile dieses Prozesses gegenüber anderen Verarbeitungsarten liegen darin, dass aufwendige Trocknungsverfahren während der Elektrodenherstellung entfallen und die Schichtdicken der resultierenden Folien unmittelbar eingestellt werden können. Während der Untersuchung der unterschiedlichen Elektrodensysteme im organischen Elektrolyten (1 M Tetraethylammoniumtetrafluoroborat-Lösung in Acetonitril) konnten spezifische Kapazitäten von bis zu 120 F g-1 gemessen werden. Des Weiteren zeigte sich der Einfluss der Kohlenstoffstruktur innerhalb der Aktivmaterialien auf die elektrochemischen Resultate. So konnte festgestellt werden, dass eine zunehmende Graphitisierung im Kohlenstoff, welche mit einer steigenden Mesoporosität im SiOCDC einherging, zu einer verbesserten Leitfähigkeit innerhalb der EDLC-Elektroden führte, aber auch eine Verringerung der spezifischen Kapazität bedeutete. Die Verringerung der Widerstände im System weitete erheblich den Bereich der nutzbaren Arbeitsfrequenzen und die Strombelastbarkeit des Elektrodenmaterials aus. So bestand die Möglichkeit ein mesoporöses Kohlenstoffmaterial zu synthetisieren, welches mit einer maximalen Arbeitsfrequenz von 8 Hz einen Wert zeigte, der zwei Größenordnungen über der Arbeitsfrequenz eines kommerziell erhältlichen Standards (Aktivkohle YP-50F) lag. Dieses exzellente Ansprechverhalten bildet die Grundlage für den Einsatz in Hochleistungsspeichersystemen. Des Weiteren offenbarte sich, dass die trocken prozessierten Elektroden das Potential für eine hohe Langzeitstabilität besitzen, da je nach Elektrodensystem ein Erhalt von 94% der Ursprungskapazität über 10.000 Lade-/Entladezyklen beobachtet werden konnte. Die Modifikation der Elektrodenmaterialien mittels CO2-Aktivierung und eine damit verbundene Erhöhung der spezifischen Oberfläche führten zu einer Verbesserung der spezifischen Kapazität der Aktivkomponenten um bis zu 33%. Zusammenfassend bleibt zu erwähnen, dass poröse Oxykarbid-abgeleitete Kohlenstoffe erfolgreich über die Chlorierung von keramischen Vorläuferverbindungen synthetisiert werden konnten. Die Kohlenstoffmaterialien zeigten nach der Prozessierung zu freistehenden und flexiblen Elektrodenfilmen vielversprechende Eigenschaften bei der Nutzung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren, wie hohe spezifische Kapazitäten, gute Langzeitstabilitäten und hohe Arbeitsfrequenzen bei Lade- und Entladevorgängen.

Inhalt der Arbeit sind theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Einfluss akustischer Wellen auf das Verhalten mehrphasiger Strömungen in porösen Medien. Die Arbeit schlug mittels Frequenzanalyse Anregungsfrequenzen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit den Strömungsvorgang positiv für die Erdölförderung zu beeinflussen. Die vorgeschlagenen Frequenzen erzielten auf verschiedenen Parametern erfolgreich eine positive Beeinflussung des Wasserdurchbruchspunktes, des Entölungsgrades und der relativen Permeabilität. Zur Erhöhung der Aussagekraft der Daten wurden Verfahren der multivariaten Statistik erfolgreich eingesetzt. Zudem wurden positive Rückkopplungseffekte mit dem Einsatz oberflächenaktiver Substanzen nachgewiesen. In einem abschließenden Schritt konnte die Wirkung des Verfahrens zudem durch Kombination mehrere Frequenzen optimiert werden. Diese von hoher Wichtigkeit geprägten Charakteristika zeigen klar das Potential des Verfahrens zum Einsatz als Verfahren der verbesserten Erdölförderung (EOR) auf.:1. Kurzfassung 5 2. Einleitung 6 2.1. Die primäre und sekundäre Förderphase 7 2.2. Tertiäre Fördermethoden 9 2.3. Akustische Verfahren 14 2.4. Aufgabenstellung 17 3. Grundlagen 18 3.1. Projektvorstellung 19 3.1.1. Vorstellung der Sonde 20 3.1.2. Eingrenzung der Laborparameter 22 3.2. Einordnung des Verfahrens in den Stand der Technik 23 3.2.1. Impuls- und Frequenzverfahren 23 3.2.2. Frequenzbereiche 25 3.3. Auswertemethoden 27 3.3.1. Frequenzanalysen 27 3.3.2. Flutversuche und relative Permeabilität 28 3.3.3. Imbibitionsversuche 32 3.4. Grundlagen der mathematischen Methoden 33 3.4.1. Fouriertransformation 34 3.4.2. Gradientenverfahren 34 3.4.3. Regressionsanalyse 37 4. Laborarbeiten 39 4.1. Versuchsaufbau 39 4.1.1. Flutanlage 39 4.1.2. Imbibitionsgefäße 42 4.2. Versuchsdurchführung 44 4.3. Der Versuchsplan der Flutexperimente 48 4.4. Voruntersuchungen 49 4.4.1. Gesteinsproben 49 4.4.2. Fluidproben 50 5. Datenauswertung 52 5.1. Frequenzanalyse 52 5.2. Flutversuche 55 5.2.1. Ergebnis der Regressionsanalyse 59 5.3. Imbibitionsversuche 61 5.4. Phänomenologische Untersuchungen 63 5.4.1. Injektivitätsveränderung 63 5.4.2. Instabile Emulsionsbildung 65 5.5. Weitergehende Forschungsansätze 67 5.5.1. Rückkopplungseffekte mit Tensiden 67 5.5.2. Bohrlochregeneration 69 6. Diskussion 71 7. Zusammenfassung 75

Die Vakuum-Mikrowellentrocknung in Multimodekammern stellt eine Möglichkeit zur schnellen und fehlerfreien Trocknung von porösen Körpern dar. In der vorliegenden Arbeit wurden der Einfluss von spezifischer absorbierter Leistung, Kammerdruck, Probenlänge, Probendicke und Anfangsfeuchte auf die Trocknung von Schnittholz untersucht. In Abhängigkeit von Holzart und Anordnung konnten Trocknungsgeschwindigkeiten von bis zu 7 %/min erzielt werden. Die daraus resultierenden Trocknungszeiten ermöglichen die Nutzung einer kontinuierlichen Prozessführung, die die Beobachtung von einzelnen Brettern erlaubt. Die Ergebnisse der Arbeit erlauben eine Bewertung der Entwicklung von Feuchte- und Temperaturverteilung im Material bei Variation der genannten Parameter. Es werden Ansätze zur Steuerung eines kontinuierlichen Mikrowellentrocknungsprozesses und zur Gestaltung geeigneter Applikatoren vorgestellt. / One possibility to dry porous materials at high rates and without structural damage is vacuum microwave drying, a combination of low pressure and microwave application. The influence of specific absorbed power, pressure level, length and thickness of the sample and initial moisture content on drying was investigated by the example of wood. Drying rates of up to 7 %/min were reached depending on the wood species and the configuration. The resulting drying times are suitable to design a continuous process, which allows single board processing. The results of this work give the possibility to evaluate the development of moisture and temperature fields within the material during variation of the mentioned parameters. Basic approaches are discussed for the control of a continuous microwave drying process and for the qualified design of applicators.

Switchable supercapacitors (SCs) enable a reversible electrically-driven uptake/release of bioactive ions by polarizing porous carbon electrodes. Herein we demonstrate the first example of a bioactive ion-based switchable supercapacitor. Based on choline chloride and porous carbons we unravel the mechanism of physisorption vs. electrosorption by nuclear magnetic resonance, Raman, and impedance spectroscopy. Weak physisorption facilitates electrically-driven electrolyte depletion enabling the controllable uptake/release of electrolyte ions. A new 4-terminal device is proposed, with a main capacitor and a detective capacitor for monitoring bioactive ion adsorption in situ. Ion-concentration control in printed choline-based switchable SCs realizes switching down to 8.3 % residual capacitance. The exploration of adsorption mechanisms in printable microdevices will open an avenue of manipulating bioactive ions for the application of drug delivery, neuromodulation, or neuromorphic devices.

The purpose of this study is to investigate forced convection of air through open cell foams. It can be numerically investigated either by implementing the time efficient macroscopic models or computationally expensive microscopic models. However, during the course of this study, it was observed that the macroscopic models are not sufficient for determining the desired key parameters. Nevertheless, it is still possible that these macroscopic models can be used to design an application accurately with minimum time efforts if the concerned key parameters are already known through other means. Accordingly, in this work, a methodology is developed to determine the desired key parameters by implementing the microscopic models, which are further used into the macroscopic models for designing different applications. To validate the proposed methodology, a set of steady state and transient forced convection experiments were performed for a set of ceramic foams having different pore diameter (10−30 PPI) and porosity (0.79−0.87) for a superficial velocity in the range of 0.5−10 m/s.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung von nanostrukturierten Kohlenstoffen. Die Synthese erfolgt dabei durch die Zwillingspolymerisation der siliziumhaltigen Zwillingsmonomere 2,2’Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] sowie Tetrafurfuryloxysilan. Die entstehenden Nanokomposite werden anschließend carbonisiert und das SiO2-Netzwerk herausgelöst. Die Zwillingsmonomere wurden dabei zunächst templatfrei umgesetzt, um Einflüsse verschiedener Reaktionsparameter auf die Eigenschaften der erhaltenen Kohlenstoffe zu evaluieren. Des Weiteren wurde studiert, wie sich die Zugabe von Hart-Templaten auf das Polymerisationsverhalten der Zwillingsmonomere, sowie die Porosität und Morphologie der daraus resultierenden Kohlenstoffe auswirkt. Für die Charakterisierung der nanostrukturierten Kohlenstoffe wurde vorwiegend auf Elektronenmikroskopie und Stickstoffsorptions-Experimente zurückgegriffen. Mit Hilfe der Zwillingspolymerisation an Hart-Templaten, wie SiO2-Partikeln, Glasfasern und ORMOCER®en konnte die Morphologie, Geometrie, Größe und Porentextur der Kohlenstoffe eingestellt und ein modulares Synthesekonzept für poröse, nanostrukturierte Kohlenstoffe entwickelt werden. Ferner wurden ausgewählte Kohlenstoffe auf Anwendung als Wasserstoffspeicher und Elektrodenmaterial in Lithium-Schwefel-Zellen getestet. In diesem Zusammenhang wurden die Thermogravimetrie, die Differenzkalorimetrie und Stickstoff-Sorptionsmessungen eingesetzt, um die Batterieeigenschaften in Zukunft ohne das Durchführen aufwendiger Zelltests zu prognostizieren.

Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese neuer heterocyclischer Hydroxyl-funktionalisierter Tekton-Moleküle, die über ein sperriges Grundgerüst verfügen und zur Bildung von porösen organischen Netzwerken sowie Koordinationspolymeren befähigt sind. Um die Sperrigkeit der Zielverbindungen und die Koordinationsfähigkeit bezüglich Metallionen zu gewährleisten, wurden durch Anknüpfung der Heterocyclen Pyridin, Thiophen und Benzo[b]thiophen an Spacer-Elemente, bestehend aus Benzen- und Alkin-Einheiten, entsprechende Derivate hergestellt und umfassend charakterisiert. Die synthetisierten Moleküle liefern eine Vielzahl von Einschlussverbindungen mit Neutralmolekülen, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Stabilität sowie Struktur untersucht wurden. Weiterhin konnte das Potenzial der Zielverbindungen als Sensormaterial gegenüber Neutralmolekülen in der Gasphase und unter Ausnutzung der Fluoreszenzeigenschaften gegenüber Metallionen in Lösung betrachtet sowie die Eignung als Linker-Moleküle zum Aufbau von Koordinationspolymeren überprüft werden.

MOF-5 ist der Archetyp einer neuartigen Klasse hochporöser Materialien, den Metal Organic Frameworks, die unter anderem zur Anwendung als effektive Gasspeicher geeignet sind. Im Rahmen dieser Arbeit werden die seiner Bildung zugrunde liegenden Reaktionen untersucht. Aus den Erkenntnissen dieser Untersuchungen wurden zwei neue Syntheseverfahren entwickelt. Eines der Verfahren beruht auf der Phasenumwandlung von Zinkterephthalaten und ermöglichte die Laborsynthese von MOF-5 in 100 g-Mengen. Ein zweites Verfahren bedient sich des Strukturaufbaus mit Hilfe vorgefertigter anorganischer Cluster, wodurch erstmals die Synthese von MOF-5-Homologen anderer Metalle als Zink gelang.