Korrelation von Festkörperwärmeleitung und Steifigkeit bei ... · ©ZAE Bayern • AK...

© ZAE Bayern • AK Thermophysik • Lena Weigold • 3./4. Mai 2012

Korrelation von Festkörperwärmeleitung

und Steifigkeit bei Polyurea Aerogelen mit

variabler Mikrostruktur

L.Weigold, F. Hemberger, K.Swimm, S. Vidi

Tagung des AK Thermophysik am 3./4. Mai 2012 in Graz

© ZAE Bayern

Bayerisches Zentrum für

Angewandte Energieforschung e.V.


VORTRAGSÜBERSICHT

1. Polyurea Aerogele (PUA Aerogele)

2. Festkörperwärmeleitfähigkeit solid

Messmethode

Messwerte PUA Aerogele

3. Steifigkeit c11

Messmethode

Messwerte PUA Aerogele

4. Korrelation c11 und solid


PUA AEROGELE

0.064

0.040

0.1210.177

0.2980.530

Dichte [g/cm³]

Polyurea Aerogle

(PUA Aerogele)


PUA AEROGELE

0.064

0.040

0.1210.177

0.2980.530

Dichte [g/cm³]

Prof. Leventis

Department of Chemistry

Missouri University of Science and Technology

Rolla, U.S.A.

Polyurea Aerogle

(PUA Aerogele)


PUA AEROGELE

0.064

0.040

0.1210.177

0.2980.530

Dichte [g/cm³]

200 nm


PUA AEROGELE

0.064

0.040

0.1210.177

0.2980.530

Dichte [g/cm³]Mikrostruktur

Schaum

200 nm


PUA AEROGELE

0.064

0.040

0.1210.177

0.2980.530

Dichte [g/cm³]Mikrostruktur

Aerogel

Mikrostruktur

Schaum

200 nm


WÄRMELEITUNG: HITZDRAHTMESSUNG



P = konstant

Probe

Hitzdraht

Spannung U

Shunt I

Hitzdrahtmethode



total = solid + rad + gas

P = konstant

Probe

Hitzdraht

Spannung U

Shunt I

Hitzdrahtmethode


100

101

102

103

104

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]


0.530 g/cm³

Gasdruckabhängige Hitzdrahtmessungen

WÄRMELEITUNG: MESSERGEBNISSE

Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]


gas

100

101

102

103

104

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]


0

m

0asg

p

p

d

l21

=

0.530 g/cm³



Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]


gas

100

101

102

103

104

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]


0

m

0asg

p

p

d

l21

=

0.530 g/cm³


solid + rad


Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]



0.530 g/cm³

0.121 g/cm³


100

101

102

103

104

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]

0

m

0asg

p

p

d

l21

=


Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]



100

101

102

103

104

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]

0

m

0asg

p

p

d

l21

=

0.530 g/cm³

0.121 g/cm³

0.064 g/cm³



Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]


0

m

0asg

p

p

d

l21

=

100

101

102

103

104

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]

0.530 g/cm³

0.121 g/cm³

0.064 g/cm³



0.040 g/cm³


Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]


100

101

102

103

104

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]

0.040 g/cm³


0

m

0asg

p

p

d

l21

=Gasdruckabhängige Hitzdrahtmessungen


Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]


0.040 g/cm³


0

m

0asg

p

p

d

l21


100

101

102

103

104

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]


Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]


0.040 g/cm³


0

m

0asg

p

p

d

l21


?10

010

110

210

310

4

0.00

0.02

0.04

0.06

Wä

rme

leitfä

hig

ke

it [

W/m

K]

Gasdruck [mbar]


Wärm

ele

itfä

hig

keit [a.u

.]



0 5 10 15 20

0.0

0.1

0.2

0.3

sp

ecific

extk

ctio

n e

* [m

²/g

]

wave length [µm]

2.75 g

5.5 g

16.5 g

33 g

E 3

T³ n² 16=diffrad,

E ( )

Diffusiver Strahlungswärmtransport




0 5 10 15 20

0.0

0.1

0.2

0.3

sp

ecific

extk

ctio

n e

* [m

²/g

]

wave length [µm]

2.75 g

5.5 g

16.5 g

33 g

E 3

T³ n² 16=diffrad,

E ( )

Diffusiver Strahlungswärmtransport

Temperaturabhängige Hitzdrahtmessungen

³T rad

2x107

3x107

4x107

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

solid

+

rad [

W/m

]

temperature T³ [K³]

11 g

5.5 g

2.75 g



0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

FESTKÖRPERWÄRMELEITUNG



0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

0.530 g/cm³




0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

0.530 g/cm³

0.121 g/cm³




0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

0.530 g/cm³

0.121 g/cm³

0.064 g/cm³




0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

0.530 g/cm³

0.121 g/cm³

0.064 g/cm³



0.040 g/cm³

?


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]



0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

Mikrostruktur

Schaum


= 1

solid ∝

Theorie SchäumeGibson, L.J, Cellular solids


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

Mikrostruktur

Schaum



Mikrostruktur Aerogel

Resorcin Formaldehyd AerogelLu, X, Journal of Non-Crystalline Solids, 1995

= 1.6= 1

solid ∝


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

Mikrostruktur

Schaum





= 1.6= 1

solid ∝

200 nm


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

Mikrostruktur

Schaum





= 1.6

Angabe von Festkörpermaterial und Dichte

→ unzureichend zur Bestimmung von solid

= 1

solid ∝


KORRELATION


KORRELATION : solid UND STEIFIGKEIT



Annahme: solid und Steifigkeit hängen gleichermaßen von der Mikrostruktur poröser Materialien ab




Steifigkeit

E-Modul → Zugversuch

c11 → Ultraschallmethode2

l11 vc: Dichte [g/cm³]

vl: Schallgeschwindigkeit [m/s]



l

Frequenzgenerator Empfangsverstärker

t

lvl

Probe

t

Ultraschallmethode

Send

er

Em

pfä

nger

Oszilloskop


Steifigkeit

E-Modul → Zugversuch

c11 → Ultraschallmethode2

l11 vc: Dichte [g/cm³]

vl: Schallgeschwindigkeit [m/s]


0.1 1

1

10

100

1000

c11 [

MP

a]

Dichte [g/cm³]

STEIFIGKEIT: c11

c11 Messwerte PUA Aerogele


0.1 1

1

10

100

1000

c11 [

MP

a]

Dichte [g/cm³]

STEIFIGKEIT: c11

c11 ( )

c11 Messwerte PUA Aerogele


0.1 1

1

10

100

1000

c

11 [

MP

a]

Dichte [g/cm³]

c11 ( )

KORRELATION UND solid: c11


0.1 1

1

10

100

1000

c

11 [

MP

a]

Dichte [g/cm³]

c11 ( )

KORRELATION UND solid

0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

solid ( )

c11 ( solid )

: c11


1E-3 0.01 0.1 110

0

101

102

103

104

105

c11 [

MP

a]

solid [W/mK}

0.1 1

1

10

100

1000

c

11 [

MP

a]

Dichte [g/cm³]

c11 ( )


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

solid ( )

c11 ( solid )

: c11


1E-3 0.01 0.1 110

0

101

102

103

104

105

c11 [

MP

a]

solid [W/mK}

0.1 1

1

10

100

1000

c

11 [

MP

a]

Dichte [g/cm³]

c11 ( )


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

solid ( )

c11 ( solid )

: c11

c11 ∝ solid

Annahme:


1E-3 0.01 0.1 110

0

101

102

103

104

105

c11 [

MP

a]

solid [W/mK}

0.1 1

1

10

100

1000

c

11 [

MP

a]

Dichte [g/cm³]

c11 ( )


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

solid ( )

c11 ( solid )

: c11

c11 für PUA Aerogel 0.040 g/cm³

c11 ∝ solid

Annahme:


1E-3 0.01 0.1 110

0

101

102

103

104

105

c11 [

MP

a]

solid [W/mK}

0.1 1

1

10

100

1000

c

11 [

MP

a]

Dichte [g/cm³]

c11 ( )


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]

solid ( )

c11 ( solid )

: c11

xc11 für PUA Aerogel 0.040 g/cm³

c11 ∝ solid

Annahme:


solid ( )

0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

Dichte [g/cm³]


?

PUA Aerogel 0.040 g/cm³


0.01 0.05 0.1 0.5 11E-3

0.01

0.1

solid

[W

/mK

]

[g/cm³]

solid ( )


?

x

solid über c11 ermittelt

Annahme: c11 ∝ solid

PUA Aerogel 0.040 g/cm³


ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK



c11 ( ) solid ( )

c11 ( solid )

Korrelation solid und Steifigkeit hängen gleichermaßen von der Mikrostruktur poröser Materialien ab



c11 ( ) solid ( )

c11 ( solid )


PUA Aerogele Bestimmung von solid durch Messung von c11



c11 ( ) solid ( )

c11 ( solid )


Ausblick

Physikalischer Zusammenhang zwischen solid und Steifigkeit

Mathematische Formulierung der Korrelation

PUA Aerogele Bestimmung von solid durch Messung von c11


Kontakt: [email protected]

mailto:[email protected]



Korrelation von Festkörperwärmeleitung und Steifigkeit bei ... · ©ZAE Bayern • AK...

Documents

Transcript of Korrelation von Festkörperwärmeleitung und Steifigkeit bei ... · ©ZAE Bayern • AK...