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Laserunterstützte Synthese von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) und Applikationen in Polycarbonaten
(2008) Hornbostel, Björn; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
In der vorliegenden Arbeit wurde die Realisierung eines Funktions- bzw. Strukturwerkstoffs aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) plus Polycarbonat vorangetrieben, und die sich einstellenden Eigenschaftsänderungen des Werkstoffsystems für makroskopischen Applikationen evaluiert. Zur Bereitstellung des Röhrenmaterials wurde eine Apparatur zur lasergestützten Synthese von hochqualitativen SWCNTs konzipiert, die zwei Lasersysteme von extrem unterschiedlichen Wellenlängen (Nd:YAG, CO2) im Parallelbetrieb für die Synthese nutzt. Mit dem Ziel maximaler Ausbeute und Reinheit wurden verschiedene Prozessführungen initiiert und wissenschaftlich bewertet. Eine wichtige Grundlage ist dabei eine neuartige Messmethodologie, die in der Lage ist, die Qualität von Nanoröhrenmaterial beziehungsweise den Herstellprozess selbst zu beurteilen. Die PC/SWCNT-Komposite wurden durch drei unterschiedliche Verfahren hergestellt: Schmelzextrusion, Coagulation und Lamination, wobei SWCNT-Material aus verschiedenen Syntheseprozessen (Lichtbogen, Laserablation, HiPco™) eingesetzt wurde. Zusätzlich wurde in einigen Kompositen eine dritte Phase in Form von Kohlenstofffasern (CF) eingearbeitet um spezielle Synergieeffekte beziehungsweise Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen. Eigenschaftsverbesserungen wurden auch mit Hilfe von chemischen Funktionalisierungen der SWCNTs erprobt. Alle Komposite wurden auf das elektrische, mechanische, thermische und elektromagnetische Verhalten hin systematisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass SWCNTs in Polycarbonat, stellvertretend für amorphe Thermoplasten, bei erheblich geringeren Füllgraden als z.B. Leitruß zu einer elektrischen Perkolation führen. Messungen an PC/SWCNT-Kompositen konnten eine ausgeprägte abschirmende Wirkung elektromagnetischer Strahlung nachweisen, so dass für praktische Anwendungen neben den EGB- auch EMV-Richtlinien erfüllbar sind. Die thermische Leitfähigkeit des Werkstoffsystems konnte durch die Zugabe von SWCNTs erhöht werden. Es konnte belegt werden, dass eine mechanische Verstärkung durch SWCNTs in dem polymeren Matrixsystem trotz hohen intrinsischen E-Moduls und Zugfestigkeit sich nicht zwangsläufig einstellt. Für die Praxis sind dafür chemische Funktionalisierungen der Nanoröhren oder die Einbringung einer dritten Phase in den Werkstoffverbund notwendig.