Synthese und Charakterisierung von Modellverbunden auf der Basis mehrwandiger Kohlenstoff Nanoröhrchen und SiO2

Abstract

Der große Elastizitätsmodul und die große Biegedehnung von CNTs führt zu großem Interesse an ihrer Verwendung als Verstärkungsfasern in nanostrukturierten Verbunden. Dieses Interesse gab den Anlaß zu dieser Arbeit. Es wurden Methoden zur Modifizierung der chemisch wenig reaktiven Oberfläche von MWNTs entwickelt. Brom stellte sich dabei als besonders effektiv heraus: TGA sowie HRTEM lassen auf eine Veränderung der CNT-Mantelflächen schließen. Durch Anwendung von Polyelektrolyten wie Polyethylemin (PEI) und Polyacrylsäure (PAA) konnte die Dispergierbarkeit von MWNTs in Wasser wesentlich verbessert werden. Zetapotentialmessungen zeigten, daß die polymerbehandelten CNTs eine erhöhtes Oberflächenpotential aufweisen. Die mit PEI vorbehandelten CNTs ließen sich bei Raumtemperatur mit SiOx-Gel beschichten. Ein anderes Verfahren zur SiOx-Beschichtung basiert auf der Adsorption von Tetraethylorthosilicat (TEOS) auf der CNT-Oberfläche und dessen nachfolgender Zersetzung bei erhöhter Temperatur. Die geringe Benetzbarkeit von MWNTs wurde durch Anwendung der Sol-Gel Technik zur Herstellung eines CNT/SiO2-Volumenverbundes überwunden. In Preß- und Sinterschritten bei 1150 °C entstanden dann Volumenverbunde. Hier ist ein Teil der MWNTs von der SiO2-Matrix umschlossen. Eine Bindung von MWNTs an die Matrix im Verbund konnte gefunden werden. Auf dieser Grundlage und anhand theoretischer Rechnungen wird eine Bindung über Si-C Brücken vorgeschlagen. Durch Einbettung in der SiO2-Matrix bleiben 16 des Kohlenstoffes bis zu 1220 °C an Luft stabil. Diese Temperatur liegt deutlich oberhalb der Oxidationstemperatur reinen MWNT-Materials (ca. 800 °C). Nach der TGA bis 1220 °C konnten MWNTs im Volumenverbund nachgewiesen werden. Es gelang, durch Verdampfung von Fe/Si-gefüllten Graphitelektroden im Lichbogen, SiC Nanowhisker herzustellen. Für das Wachstum wurde der VLS-Mechanismus (vapour-liquid-solid: VLS) für den Lichbogen weiterentwickelt.

The high stiffness and flexibility of carbon nanotubes (CNT) lead to growing interest in the use of CNT as reinforcing fibers in nanostructured composites. Therefore, the synthesis of CNT-model-composites is the main issue of this thesis. Methods for the modification of the chemically inert CNT-surface have been developed. Bromine in combination with ultrasonic treatment has been found to be efficient: TGA and HRTEM show consistantly the modification of the CNT-sidewalls. The stability of aqueous CNT suspensions was substantially improved by polyethyemine (PEI) and polyacrylic acid (PAA). Zetapotential measurements showed that these CNT exhibit an enhanced negative or positive surface-potential. A room-temperature coating technique of CNT has been developed involving a silica-sol and PEI-pretreated CNT. An other technique involves adsorption of TEOS on the CNT-surface and subsequent decomposition at 1000 °C. No chemical bonding has been observed between the coating and the CNT for either technique. The poor wetting of CNT has been surmounted using a sol-gel technique for the production of a CNT/SiO2-bulk-composite. The final composite has been achieved by uniaxial pressing and sintering at 1150 °C. TEM characterisation showed that some of the CNT were incorporated within the matrix. A CNT-matrix bonding was shown for the first time in an inorganic matrix. Together with theoretical calculations a Si-C bonding between the CNT and the SiO2-matrix is proposed. Due to the incorporation of CNT in the SiO2-matrix 16 of the carbon remains stable up to 1220 °C in air. This temperature is much higher than the oxidation temperature of pure arc-discharge CNT (ca. 800 °C). CNT can be found easily in the composite after the TGA. The production of SiC-nanowhiskers has been achieved by evaporation of Fe/Si-filled graphite-electrodes. A mechanism for the whisker growth in the arc-discharge has been developed on the basis of the VLS (vapour-liquid-solid)-mechanism.