Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von porösen Kohlenstoffmaterialien. Zum einen werden poröse Kohlenstoffe (C) für die Anwendung in Siliziumcarbid (SiC) faserverstärkten Verbundwerkstoffen (SiC/C) untersucht, deren Kohlenstoffmatrix definierte Porengrößen im einstelligen Mikrometerbereich aufweisen sollen, um anschließend über das Flüssigsilizierverfahren (LSI) eine stöchiometrische Umsetzung dieser mit flüssigen Silizium zu einer Siliziumcarbid-Matrix zu gewährleisten. Erhalten wird ein keramischer SiC/SiC-Faserverbundwerkstoff, der aufgrund seiner Beständigkeit in Hochtemperatur-Sauerstoffatmosphäre, für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt geeignet ist. Für dieses Ziel wurden verschiedene Kohlenstoffprecursoren, die Resole, Novolake und stickstoffhaltigen Phenolharze unter Zugabe von β-Naphthol, entwickelt.
Darüber hinaus lag der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Herstellung von porösen Kohlenstoffschäumen. Dafür wurden organische Carbonate dargestellt, deren Substituenten einer Stufenwachstumspolymerisation befähigt sind. In der Schmelze polymerisieren diese Säure-katalysiert und setzen dabei Kohlenstoffdioxid frei, welches gleichzeitig das Polymer schäumt. Die Zugabe eines geeigneten Tensides stabilisiert die Kohlenstoffdioxidblasen und generiert Schäume unter einer hohen Volumenexpansion.
Die organischen Carbonate wurden zudem simultan mit Zwillingsmonomeren kationisch polymerisiert um einen Hybridmaterialschaum zu synthetisieren, der anschließend in hierarchisch strukturierte poröse Kohlenstoff- und Siliziumdioxidschäume umgewandelt werden kann.
Neben klassischen Methoden zur Aufklärung der molekularen Strukturen, wie der Kernspinresonanz- (NMR) und Infrarot (IR)-Spektroskopie, wurden Morphologie und Porosität mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (REM) beziehungsweise Stickstoffsorption und Quecksilberporosimetrie untersucht. Überdies kamen DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) und TGA (Thermogravimetrische Analyse) zur Untersuchung des thermischen Verhaltens der Monomere und Polymere zum Einsatz.:1 Einleitung
2 Motivation und Zielsetzung
3 Theoretische Grundlagen
3.1 Poröse Materialien und deren Charakterisierung
3.1.1 Einteilung nach der Porengröße
3.1.2 Einteilung nach der Porenmorphologie
3.1.3 Beschreibung und Bestimmung von der Porosität
3.1.4 Charakterisierung von Mikro- und Mesoporen
3.2 Herstellung von porösen Kohlenstoff- und Siliziumdioxidmaterialien
3.2.1 Harttemplatsynthesen
3.2.2 Weichtemplatsynthesen
3.2.3 Gelsynthesen und Emulsionstechniken
3.2.4 Schäumungsprozesse
3.2.5 Hybridmaterialien
3.2.6 Zwillingspolymerisation
3.2.7 Hierarchisch strukturierte Kohlenstoffmaterialien mittels Zwillingspolymerisation
3.3 Verwendung von porösen Kohlenstoffmaterialien
3.3.1 SiC/SiC-Faserverbundwerkstoffe
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Synthese von Phenolharzen als Kohlenstoffprecursoren für SiC/C Faserverbundwerkstoffe
4.1.1 Anforderungen an die Kohlenstoffprecursoren für eine SiC-Matrix
4.1.2 Resole
4.1.3 Novolake und stickstoffhaltige Phenolharze
4.1.4 Molmassen
4.1.1 DSC- und Rheologie-Untersuchungen
4.1.2 Aushärtung der flüssigen Harzformulierungen
4.1.2.1 13C-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie
4.1.3 Herstellung von Kohlenstoffen
4.1.4 Untersuchung der Morphologie und Porosität
4.1.4.1 Ausgehärtete Harze
4.1.4.2 Kohlenstoff
4.1.5 Herstellung und Charakterisierung der SiC/C-Faserverbundwerkstoffe
4.1.6 Untersuchung zur Struktur des Kohlenstoffs
4.1.7 Silizierung der Kohlenstoffe
4.1.8 Porosität durch Catecholoxalat
4.2 Kationische Polymerisation von organischen Carbonaten
4.2.1 Synthese organischer Carbonate
4.2.2 Polymerisationsverhalten organischer Carbonate
4.2.3 Kationische Polymerisation organischer Carbonate
4.2.4 Molmassen und thermisches Verhalten
4.2.5 Morphologie der Polymerschäume
4.2.6 Molekulare Struktur
4.2.7 Poröse Kohlenstoffe
4.3 Simultane Polymerisation von organischen Carbonaten und Zwillingsmonomeren
4.3.1 Theoretische Betrachtungen
4.3.2 Polymerisationsverhalten der Monomermischungen
4.3.3 Variation der Reaktionsbedingungen
4.3.4 Morphologie der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume
4.3.5 Molekulare Struktur der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume
4.3.5.1 13C {1H} CP-MAS-NMR-Spektroskopie
4.3.5.2 29Si-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie
4.3.5.3 ATR-FTIR-Spektroskopie
4.3.5.4 Extraktionsversuche der Hybridmaterialien
4.3.5.5 Elementverteilung mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie
4.3.6 Herstellung poröser Kohlenstoff- und SiO2-Schäume aus Hybridmaterialschäumen
4.3.6.1 Zusammensetzung des Hybridmaterial- und C/SiO2-Schaums
4.3.6.2 Morphologie der Kohlenstoff- und SiO2-Schäume
4.3.7 Porositätsuntersuchungen an porösen Kohlenstoff- und SiO2-Schäumen
4.3.7.1 Stickstoffsorption
4.3.7.2 Quecksilberporosimetrie
5 Zusammenfassung und Ausblick
6 Experimenteller Teil
6.1 Chemikalien
6.2 Charakterisierungsmethoden
6.3 Synthesen
6.3.1 Herstellung von Resolen
6.3.2 Herstellung eines Novolaks
6.3.3 Herstellung eines stickstoffhaltigen Phenolharzes
6.3.4 Herstellung einer flüssigen Harzmischung
6.3.5 Aushärtung der flüssigen Harze und Harzmischungen
6.3.6 Pyrolyse der ausgehärteten Phenolharze und Harzmischungen
6.3.7 Herstellung von SiC-faserverstärkten Kohlenstoffen (SiC/C)
6.3.8 Silizierung von Kohlenstoffen
6.3.9 1,1'-methylenebis(naphthalen-2-ol)
6.3.10 Catecholoxalat
6.3.11 Bis(furan-2-ylmethyl) carbonat (Difurfurylcarbonat DFC)
6.3.12 Bis(p-methoxybenzyl) carbonat (pC)
6.3.13 Bis(m-methoxybenzyl) carbonat (mC)
6.3.14 Tetrafurfuryloxysilan (TFOS)
6.3.15 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] (Spiro)
6.3.16 Polymerisation von mC, pC und DFC
6.3.17 Simultane Polymerisation von Carbonaten mit Zwillingsmonomeren
6.3.18 Extraktion
6.3.19 Pyrolyse der Organik/SiO2-Hybridmaterialien
6.3.20 Siliziumdioxid-Ätzen
6.3.21 Oxidation der Organik/SiO2-Hybridmaterialien
6.3.22 Oxidation der Kohlenstoff/SiO2-Materialien
Anhang
Literaturverzeichnis
Danksagung
Selbstständigkeitserklärung
Lebenslauf
Persönliche Daten
Ausbildung und beruflicher Werdegang
Liste der Publikationen, Vorträge und Posterpräsentationen
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:35510 |
| Date | 25 October 2019 |
| Creators | Wöckel, Lydia |
| Contributors | Spange, Stefan, Schacher, Felix, Spange, Stefan, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/updatedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1039/C7PY01888F, 10.1039/C6PY01572G |
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