Bestimmung der intrinsischen Leitfähigkeit von porösen Materialien über eine druckabhängige Messung der Leitfähigkeit und deren Simulation

The intrinsic electrical conductivity of porous materials is determined in this work. Experimental investigations of powder samples provide an effective conductivity, which is determined by the intrinsic conductivity of the particles, the contact resistances and the complex structure of the powder packing. The designed and constructed test rig is used to determine the pressure-dependent effective conductivity for glassy carbon powder. A dependence on sample height is found. This is attributed to edge effects and a pressure gradient across the sample height. Furthermore, the effective conductivity increases with higher pressure. A larger number of contacts between the particles results in a reduced total resistance. The conductivity of other materials (graphite, carbon nanotubes (CNT), carbon nanostructures (CNS), Vulcan XC-72R, titanium, titanium oxide (TiO2) and antimony-doped tin oxide (ATO)) is investigated experimentally and an estimation regarding their conducting or insulating character is possible. A mathematical modeling with the "general-effective-media-equation" gives a rough estimation of the intrinsic conductivity. A numerical approach on the microstructure level aims to determine a more exact value of the intrinsic conductivity. For different compression states, the effective conductivity of the particle packing is approximated with a parameter variation of the intrinsic conductivity. By comparison with the experimental results, the correct intrinsic conductivity of the particle material will be inferred. The particle packing is first simulated using a Discrete-Element-Method. The results contain particle and contact information, which are used for the automated generation of geometry and physics in a Finite-Element-Model. The FE-method is used to perform the parameter variation of the intrinsic conductivity and to determine the effective conductivity of the packing. The simulation does not reproduce the experimental results. It is therefore not possible to draw a clear conclusion about the correct intrinsic conductivity with the present numerical model. Improvements in the definition of boundaries as well as calculations with a larger computational capacity are necessary.

In dieser Arbeit wird die intrinsische elektrische Leitfähigkeit von porösen Materialien ermittelt. Experimentelle Untersuchungen von Pulverproben liefern dazu eine effektive Leitfähigkeit, welche durch die intrinsische Leitfähigkeit der Partikel, den Kontaktwiderständen und der komplexen Struktur der Pulverpackung bestimmt ist. Mit dem konzipierten und aufgebauten Prüfstand wird die druckabhängige effektive Leitfähigkeit für Glaskohlenstoffpulver bestimmt. Es wird eine Abhängigkeit von der Probenhöhe festgestellt. Diese wird auf Randeffekte und einem Druckgradient über der Probenhöhe zurückgeführt. Weiterhin nimmt die effektive Leitfähigkeit mit größerem Druck zu. Dabei sorgt eine größere Kontaktanzahl zwischen den Partikeln für einen verringerten Gesamtwiderstand. Die Leitfähigkeit weiterer Materialien (Graphit, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Kohlenstoffnanostrukturen (CNS), Vulcan XC-72R, Titan, Titanoxid (TiO2) und Antimon-dotiertes-Zinnoxid (ATO)) wird experimentell ermittelt und es ist eine Abschätzung bezüglich ihres leitenden oder isolierenden Charakters möglich. Die mathematische Modellierung mit der „General-Effective-Media-Gleichung“ liefert eine grobe Abschätzung der intrinsischen Leitfähigkeit. Mit einem numerischen Ansatz auf Mikrostrukturebene wird eine exaktere Bestimmung der intrinsischen Leitfähigkeit für die Glaskohlenstoffproben angestrebt. Dabei wird für verschiedene Kompressionszustände die effektive Leitfähigkeit der Partikelpackung mit einer Parametervariation der intrinsischen Leitfähigkeit approximiert. Durch den Vergleich mit den Versuchsergebnissen soll auf die korrekte intrinsische Leitfähigkeit des Partikelmaterials geschlossen werden. Die Partikelpackung wird zunächst mit einer Diskreten-Elemente-Methode simuliert. Daraus werden Partikel- und Kontaktinformationen extrahiert und für die automatisierte Geometrie- und Physikerstellung in einem Finite-Elemente-Modell verwendet. Mit der FE-Methode wird die Parametervariation der intrinsischen Leitfähigkeit durchgeführt und die effektive Leitfähigkeit der Packung ermittelt. Die Simulation bildet nicht die Versuchsergebnisse ab und mit dem jetzigen Modell ist kein eindeutiger Rückschluss auf die korrekte intrinsische Leitfähigkeit möglich. Verbesserungen in der Definition der Ränder sowie Berechnungen mit größeren Rechenkapazitäten sind notwendig.