Agglomeration fraktaler Kohlenstoffpartikel zu elektrisch leitfähigen Netzwerken in Elastomer-Kompositen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Pyrolytisch hergestellte Kohlenstoffpartikel (‚Carbon Black‘) werden seit langem als Füllstoffe in Elastomer-Kompositen eingesetzt, zum Beispiel um die mechanischen Eigenschaften von Reifen und Dichtungen zu verbessern. Die elektrischen Eigenschaften solcher Komposite werden hingegen selten technisch genutzt. In der Technik werden heute vermehrt elastische Materialien gesucht, deren elektrische und mechanische Eigenschaften gekoppelt sind, zum Beispiel für Sensoren und Aktuatoren. In diesem Projekt wurde untersucht, wie diese Kopplung von der Struktur der Netzwerke abhängt, die Carbon Black-Partikel in Elastomeren bilden. Ziel war die Identifikation von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, die es zum Beispiel erlauben, starke elektrische Antworten auf kleine mechanische Deformationen zu erhalten. Im Gegensatz zu hochdefinierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Graphen-Flocken sind die konventionellen Carbon Black-Partikel fraktal. Die Transporteigenschaften von Netzwerken aus solchen Partikeln wurden bisher wenig untersucht. Wir haben dazu in enger Zusammenarbeit einer experimentell und einer theoretisch arbeitenden Gruppe Simulationen durchgeführt sowie Komposite hergestellt und charakterisiert. Unsere experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass Carbon Black-gefüllte Elastomere als kostengünstige, mechanisch robuste und hochverformbare Sensormaterialien einsetzbar sind. Aus den identifizierten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen lassen sich experimentelle Richtlinien ableiten (Verarbeitung, Wahl und Konzentration der Ausgangsstoffe), um optimale elektromechanische Eigenschaften für die Anwendung zu erzielen. Im Rahmen der theoretischen Arbeiten wurde ein Simulationscode zur Modellierung und systematischen Analyse von Füllstoffnetzwerken insbesondere fraktaler Aggregate entwickelt. Darüber hinaus wurde ein theoretischer Rahmen zur Charakterisierung des Einflusses von Partikelpolydispersität, -anisotropie und -wechselwirkungen auf Perkolation und Leitfähigkeit geschaffen, der eine exzellente Grundlage zur systematischen Optimierung von Kompositmaterialien bietet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Continuum percolation expressed in terms of density distributions. Physical Review E, 101(6).
Coupette, Fabian; Härtel, Andreas & Schilling, Tanja
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Shape, geometric percolation, and electrical conductivity of clusters in suspensions of hard platelets. Physical Review E, 101(3).
Atashpendar, Arshia; Ingenbrand, Tim & Schilling, Tanja
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Bayesian unsupervised learning reveals hidden structure in concentrated electrolytes. The Journal of Chemical Physics, 154(13).
Jones, Penelope; Coupette, Fabian; Härtel, Andreas & Lee, Alpha A.
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Nearest-neighbor connectedness theory: A general approach to continuum percolation. Physical Review E, 103(4).
Coupette, Fabian; de Bruijn, René; Bult, Petrus; Finner, Shari; Miller, Mark A.; van der Schoot, Paul & Schilling, Tanja
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Percolation of rigid fractal carbon black aggregates. The Journal of Chemical Physics, 155(12).
Coupette, Fabian; Zhang, Long; Kuttich, Björn; Chumakov, Andrei; Roth, Stephan V.; González-García, Lola; Kraus, Tobias & Schilling, Tanja
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Exactly solvable percolation problems. Physical Review E, 105(4).
Coupette, Fabian & Schilling, Tanja
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Microscopic Softening Mechanisms of an Ionic Liquid Additive in an Electrically Conductive Carbon‐Silicone Composite. Advanced Materials Technologies, 7(11).
Zhang, Long; Schmidt, Dominik S.; González‐García, Lola & Kraus, Tobias
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“Percolation: Connecting the Dots”, Ph. D. Thesis, University of Freiburg (2023)
Coupette, F.
