Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese, Charakterisierung und Optimierung von Kohlenstoff-Aerogelen (C-Aerogele) für den Einsatz als Hochtemperaturwärmedämmung (> 1000°C). C-Aerogele sind offenporöse monolithische Festkörper, die durch Pyrolyse von organischen Aerogelen entstehen. Die Synthese dieser organischen Vorstufen erfolgt über das Sol-Gel-Verfahren. Zur Charakterisierung der Morphologie wurde die innere Struktur der Aerogele mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie (XRD), Raman-Spektroskopie, Stickstoffsorption und Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) untersucht. Die thermischen Eigenschaften der Aerogele wurden mit Hilfe von Laser-Flash Messungen, dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC), thermographischen und infrarot-optischen (IR) Messungen quantifiziert. Die innere Struktur von Aerogelen besteht aus einem dreidimensionalen Gerüst von Primärpartikeln, die während der Sol-Gel Synthese ohne jede Ordnung aneinander wachsen. Die zwischen den Partikeln befindlichen Hohlräume bilden die Poren. Die mittlere Partikel- und Porengröße eines Aerogels kann durch die Konzentration der Ausgangslösung und der Katalysatorkonzentration einerseits und durch die Synthesetemperatur und –dauer andererseits eingestellt werden. Der Bereich der mittleren Partikel- und Porengröße, der in dieser Arbeit synthetisierten Aerogele, erstreckt sich von einigen 10 Nanometern bis zu einigen Mikrometern. Die Dichten der Proben wurden im Bereich von 225 kg/m3 bis 635 kg/m3 variiert. Die Auswirkungen der Pyrolysetemperatur auf die Struktur und die thermischen Eigenschaften der C-Aerogele wurden anhand einer Probenserie erstmalig systematisch untersucht. Die Proben wurden dazu bei Temperaturen von 800°C bis 2500°C pyrolysiert bzw. temperaturbehandelt (geglüht). Um die einzelnen Beiträge zur Wärmeleitfähigkeit trennen und minimieren zu können, wurden die synthetisierten Aerogele thermisch mit mehreren Meßmethoden unter unterschiedlichen Bedingungen charakterisiert. Temperaturabhängige Messungen der spezifischen Wärmekapazität cp im Bereich von 32°C bis 1500°C ergaben für C-Aerogele verglichen mit den Literaturdaten von Graphit einen ähnlichen Verlauf. Allerdings steigt cp etwas schneller mit der Temperatur an, was auf eine „weichere“ Struktur hindeutet. Die maximale Abweichung beträgt etwa 11%. Messungen an einer Serie morphologisch identischer Aerogelproben, die im Temperaturbereich zwischen 800°C und 2500°C pyrolysiert bzw. geglüht wurden, ergeben eine Zunahme der Festkörperwärmeleitfähigkeit mit der Behandlungstemperatur um etwa einen Faktor 8. Stickstoffsorptions-, XRD-, Raman- und SAXS-Messungen an diesen Proben zeigen, dass dieser Effekt wesentlich durch das Wachstum der graphitischen Bereiche (Mikrokristallite) innerhalb der Primärpartikel des Aerogels bestimmt wird. Berechnungen auf Basis von Messungen der Temperaturleitfähigkeit weisen außerdem auch auf Veränderungen der Mikrokristallite hin. Gasdruckabhängige Messungen der Wärmeleitfähigkeit und der Vergleich zwischen Messungen unter Vakuum und unter Normaldruck an verschiedenen Aerogelmorphologien liefern Aussagen über den Gasanteil der Wärmeleitfähigkeit. Dabei zeigt sich, dass sich der Gasanteil der Wärmeleitfähigkeit in den Poren des Aerogels verglichen mit dem freien Gas durch die geeignete mittlere Porengröße erwartungsgemäß erheblich verringern lässt. Diese Ergebnisse stimmen in Rahmen der Messunsicherheit mit der Theorie überein. Durch infrarot-optische Messungen an C-Aerogelen konnte der Extinktionskoeffizient bestimmt und daraus der entsprechende Beitrag der Wärmestrahlung zur Wärmeleitfähigkeit berechnet werden. Temperaturabhängige Messungen der thermischen Diffusivität erlaubten mit der zur Verfügung stehenden Laser-Flash Apparatur die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit bis zu Temperaturen von 1500°C. Die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit der C-Aerogele zeigt eine Charakteristik, die mit den separat gemessenen bzw. berechneten Beiträgen zur Wärmeleitfähigkeit und der Theorie im Rahmen der Messunsicherheit gut übereinstimmen. Auf der Basis der gewonnenen Messdaten ist es möglich, die Wärmeleitfähigkeit von Aerogelen für Anwendungen über die maximale Messtemperatur von 1500°C durch Extrapolation vorherzusagen. Die niedrigste Wärmeleitfähigkeit der im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten C-Aerogele beträgt danach etwa 0,17 W/(m•K) bei 2500°C unter Argonatmosphäre. Kommerziell erhältliche Hochtemperatur-Wärmedämmstoffe, wie z. B. Kohlefaserfilze oder Kohlenstoffschäume weisen Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von etwa 0,7 bis 0,9 W/(m•K) bei einer Temperatur von 2000°C auf. Die Messungen zeigen, dass die vergleichsweise niedrigen Wärmeleitfähigkeiten von C-Aerogelen bei hohen Temperaturen durch die Unterdrückung des Gas- und Strahlungsbeitrags der Wärmeleitfähigkeit bedingt sind. / The scope of the present work is the synthesis, the characterisation and the optimisation of carbon (c-) aerogels as high temperature insulation (> 1000°C). Carbon aerogels are open porous monolithic solids which are produced by pyrolysis of organic aerogels. These organic precursors are synthesized via the sol-gel route. For the structural characterisation of the aerogels the samples were investigated by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, nitrogen sorption measurements and small angle X-ray scattering (SAXS). The thermal properties of the aerogels were quantified by laser flash measurements, differential scanning calorimetry (DSC), thermographic and infrared optical measurements. The inner structure of the aerogels consists of a three dimensional skeleton of primary particles which grow during the sol-gel synthesis and are connected to each other without any orientation. The voids between the particles are the pores. The mean particle and pore size of the aerogel can be tailored specifically via the concentration of the catalyst and the degree of dilution of the educt solution on the one hand and the synthesis time and -temperature on the other hand. The range of the mean particle and pore sizes of the aerogels synthesized within this work extends from some tens of nanometers to some microns. The density of the samples was varied in the range from 225 kg/m3 to 635 kg/m3. The impact of pyrolysis and annealing temperature on the morphology and the thermal properties of carbon aerogels was investigated for the first time systematically on one series of samples. For that purpose the samples were pyrolysed and annealed in the range of 800 to 2500°C. To separate and minimize the individual contributions, the thermal conductivity of the synthesized c-aerogels were thermally characterized by different measuring methods under various conditions. The measurements of the specific heat in the range of 32 to 1500°C yield values similar to the literature data of graphite; however slightly systematic higher values of up to 11% were observed as expected for “softer” solids with high interfacial surface areas. Measurements of a series of carbon aerogels with identical morphology, however different annealing temperatures, show an increase of the solid thermal conductivity with increasing annealing temperature of up to a factor of about 8 for temperatures between 800°C and 2500°C. Nitrogen sorption-, XRD-, Raman-, and SAXS-measurements reveal that this effect is dominated by the growth of graphitic domains (microcrystallites) within the primary particles of the aerogel. In addition calculations based on measurements of the thermal diffusivity indicate changes of the microcrystallites. Measurements of the thermal conductivity of aerogels with different morphologies as a function of gas pressure and the comparison of the data taken under vacuum and normal pressure yield informations about the gaseous contribution to the thermal conductivity. As expected, the gaseous thermal conductivity within the pores of the aerogel can be reduced compared to the free gas when the pore size is in the range of the mean free path of the gas molecules or smaller. The results agree with the theory within the measuremental uncertainties. Infrared optical measurements provide the extinction coefficient of carbon aerogels, from which the radiative contribution to the thermal conductivity could be determined. The laser flash equipment available at the ZAE Bayern allows measurements of the thermal diffusivity up to 1500°C from which the thermal conductivity can be determined. The thermal conductivity of carbon aerogels as a function of temperature is well described by a superposition of the single contributions determined separately and the theoretical predictions within the uncertainties. Based on the experimental data it is possible to extrapolate the thermal conductivity of carbon aerogels for applications beyond the maximum temperature investigated (1500°C). Thus the lowest thermal conductivity of the carbon aerogels synthesized in the scope of this work is about 0,17 W/(m•K) at 2500°C in argon atmosphere. This value is about a factor 4 lower than for the best commercially available insulation material.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:3569 |
| Date | January 2009 |
| Creators | Wiener, Matthias |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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