Chemische Gasphaseninfiltration von orientierten Kohlenstoffnanorohrschichten: Grundlagen, Pyrokohlenstoffabscheidung, Materialeigenschaften

• Applicants: Professor Dr. Olaf Deutschmann; Professor Dr. Manfred Kappes
• Subject Area: Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation ; Preparatory and Physical Chemistry of Polymers
• Term: from 2008 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 61519787

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Im Projekt wurde die Pyrokohlenstoffabscheidung in auf der Nanometerskala periodisch vorstrukturierten Materialien untersucht. Als Ausgangsmaterial wurden Kohlenstoffnanoröhren-Schichten (sog. VANTA-Schichten) verwendet. Während sich ein simultan bei Prof. Kappes (Karlsruhe) durchgeführtes Projekt auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der entstehenden Komposit- Materialien konzentrierte, stand in unserem Projekt die Modellierung und numerische Simulation im Fokus. Insbesondere waren die Stofftransportprozesse in den nano-strukturierten Schichten zu verstehen. Daher wurden molekulardynamische (MD) Simulationen durchgeführt, um den Einfluss der wichtigsten Prozessparameter auf den Stofftransport innerhalb der VANTA zu enthüllen. Das präsentierte Modell bestimmt den Fluss in die VANTA und die Selbstdiffusion innerhalb der VANTA mit gesonderten Ansätzen. Der Einfluss von Temperatur, Druck, Porosität und Tortuosität der CNT’s auf den Stoffstrom und den Selbstdiffusionskoeffizienten von Wasserstoff und Methan wurde bestimmt. Die Ergebnisse wurden zu Gleichungen für die Abschätzung von effektivem Fluss und Selbstdiffusionskoeffizient zusammengefasst. Der Einfluss der Porosität erweist sich als besonders groß; der Stofftransport parallel zu den Poren ist drei mal schneller als der Transport senkrecht zu den Poren, der Selbstdiffusionskoeffizient parallel zu den Poren übersteigt den Koeffizienten senkrecht zu den Poren um 2 Größenordnungen. Die Auswertung der Temperaturabhängigkeit des Selbstdiffusionskoeffizienten zeigt, dass bei den für die Chemische Gasphasenimprägnierung relevanten Temperaturen (> 700 °C) die Diffusion im Gasraum die Diffusion auf der Oberfläche klar überwiegt. Der Einfluss der Porosität auf die Diffusion innerhalb der VANTA ist ebenfalls sehr stark und von der Richtung abhängig; bei einer Porosität < 0.4 ist kein Transport mehr zu erwarten. Wesentlich stärker als die Porosität beeinflusst die Tortuosität der CNT’s die Diffusion innerhalb des VANTA, da bereits kleine Werte für die Tortuosität die gerade und unidirektionale Ausrichtung der Poren empfindlich stören. Aufgrund der Ergebnisse der Simulationen können der Fluss in das VANTA und die Diffusion innerhalb des VANTA für die wichtigsten Prozessparameter berechnet werden. Mit den erzielten Erkenntnissen ließ sich eine wichtige Lücke in der Multiskalenmodellierung der chemischen Gasphaseninfiltration von Pyrokohlenstoff in nanostrukturierte Materialen schließen. Die gewonnen Erkenntnisse und entwickelten Methoden lassen sich auf andere Infiltrationsprozesse übertragen.

Publications

• Heterogeneous reaction systems: from molecular modeling to reactor optimization. Materials Science Seminar, University of New Hampshire, September 23, 2009
  O. Deutschmann
  
• Microscopy of columnar structures in pyrolytic carbon coatings. Carbon 2009, Biarritz, France, June 14-19, 2009
  B. Reznik, A. Li , G. Schoch, S. Lichtenberg, O. Deutschmann
  
• Numerical modeling of the microstructure of carbon/carbon composites on different length scales. Carbon 2009, Biarritz, France, June 14-19, 2009
  R. Piat, T. Böhlk, I. Tsukrov, B. Reznik, O. Deutschmann, A. Bussiba
  
• Chemistry and Kinetics of Chemical Vapor Deposition of Pyrolytic Carbon from Ethanol. 33rd International Symposium on Combustion, Beijing, China, August 1- 6, 2010
  A. Li, S. Zhang, B. Reznik, S. Lichtenberg, G. Schoch, O. Deutschmann
  
• Microscopy of pyrolytic carbon. National Key Laboratory for Powder Metallurgy Central South University, Changsha, China, 17.12 2010
  B. Reznik, O. Deutschmann
  
• Microscopy of pyrolytic carbon: an exercise into spatial organization of carbonaceous matter. Northwestern Polytechnical University, Xi´an, China, 09.12.2010
  B. Reznik, O. Deutschmann
  
• Synthesis of pyrolytic carbon composites using ethanol as precursor. 21st International Symposium on Chemical Reaction Engineering (ISCRE 21), Philadelphia, PA, USA, June 13 -16, 2010
  A. Li, S. Zhang, B. Reznik, S. Lichtenberg, O. Deutschmann
  
• Carbon/Carbon Composites by Pyrolysis of Light Hydrocarbons. Arbeitskreis Kohlenstoff der Deutschen Keramischen Gesellschaft e.V., Schunk Kohlenstofftechnik GmbHm Heuchelheim, Germany, 8. April 2011
  O. Deutschmann
  
• Essential experimentla parameters determining textural transitions in pyrolytic carbon. CARBON 2011. Shanghai, China, July 24-29, 2011
  B. Reznik, S. Lichtenberg, O. Deutschmann, A. Li, S. Zhang, H. Li
  
• Essential parameters determining textural transitions in pyrolytic carbon. An International Conference on Carbon, Shanghai, China, July 25-29, 2011
  B. Reznik, S. Lichtenberg, O. Deutschmann, A.Li, S. Zhang, He Jun Li
  
• Multi-scale characterization of pyrolytic carbon: an exercise into spatial organization of carbonaceous matter. Workshop ”Order/Disorder in Bulk Carbon Materials: Structure/Texture, Quantification, Imaging, Modeling,Structure-Property Relationships”, Crakow, Poland, June 15-16, 2012
  B. Reznik, O. Deutschmann
  
• Spatial organization of pyrolytic carbon: from pyrolysis to imaging. An International Conference on Carbon, Crakow, Poland, June 17-22, 2012
  B. Reznik, O. Deutschmann