Dirk Kadau :

Porosität in kohäsiven granularen Pulvern und Nano-Pulvern

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik, 2004-01-19

BetreuerIn: Prof. Dr. Dietrich E. Wolf , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik

GutachterIn: Prof. Dr. Dietrich E. Wolf , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik
GutachterIn: Prof. Dr. Peter Entel , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik

Schlüsselwörter in Deutsch: Verdichtung, Porosität, Nano-Pulver, Nano-Partikel, Pulver, Kohäsion, Kontaktdynamik, granulare Materie, Diskrete Elemente Methode, Simulation
Schlüsselwörter in Englisch: consolidation, porosity, nano-powder, nano-particle, powder, cohesion, Contact Dynamics, granular matter, discrete element method, simulation

  
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 530 Physik
Physics and Astronomy Classification Scheme (PACS): 62.25. g, 83.10.Rs, 83.80.Fg
  
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

In vielen industriellen Bereichen werden Materialien in granularer Form verarbeitet. Das Spektrum reicht dabei von grobkörnigen Schüttgütern über feinkörnige Pulver bis hin zu Nano-Pulvern. Mit abnehmender Korngröße kann es durch zunehmenden Einfluss der Kohäsion zu sehr großen Porenvolumina kommen, zum Teil über 90%. Ziel dieser Arbeit ist es, diese makroskopische Eigenschaft auf mikroskopischer Ebene zu verstehen und zu quantifizieren. Verwendet wurde die Kontaktdynamikmethode, mit der die Bewegung der einzelnen Körner in zwei Dimensionen simuliert wird. Dabei erweist sich eine Erweiterung um Kohäsion und Rollreibung als notwendig, um den Porenstabilisierungsmechanismus zu erklären. Bei genügend starker Kohäsion können auf diese Weise Strukturen mit sehr niedriger Koordinationszahl wie Partikel-Ketten stabilisiert werden. Die nach Kompaktierung erreichte Endporosität zeigt eine Abhängigkeit vom anliegenden äußeren Druck im Verhältnis zur Kohäsionskraft (zusätzlich mit dem Radius der Partikel skaliert). Das Verhalten für hohe Drücke lässt sich durch ein Potenzgesetz beschreiben. Es wird durch Verdichtungsexperimente der Arbeitsgruppe von Prof. Schwedes an der Technischen Universität Braunschweig für Pulver mit unterschiedlichem mittleren Radius bestätigt. Ein Einfluss dieser Skalenfunktion auf den spannungsgesteuerten Verdichtungsvorgang konnte in einem relativ einfachen Modell gefunden werden. Überträgt man dies auf dehnungsgesteuerte Prozessführungen, sind Dichteinhomogenitäten in den Pulvern zu erwarten, die sich mit abnehmender Verformungsrate verringern und im Grenzfall quasistatischer Prozessführung verschwinden. Experimente, die üblicherweise mit geringen Dehnraten durchgeführt werden, bestätigen die homogene Verformung in diesem Fall. Auch der Einfluss der Ausgangsstruktur wird untersucht. Es zeigt sich, dass fraktale Strukturen, in denen große lokale Dichteunterschiede auftreten, ein deutlich höheres Porenvolumen gegen äußere Drücke stabilisieren können. Das deckt sich mit Versuchen an Siliziumdioxid-Gelen, die mit zunehmenden lokalen Dichteinhomogenitäten eine höhere mechanische Beanspruchbarkeit zeigen.

Abstrakt in Englisch

Various industrial processes involve materials consisting of grains. The spectrum ranges from coarse grained matter and fine powders to nano-powders. As grain size decreases, the influence of cohesion increases leading to an enormous pore volume, which sometimes can exceed 90%. One main goal of this thesis is to understand this macroscopic behavior on a microscopic level and to quantify it. By using the contact dynamics method we simulate the evolution of an ensemble of grains in two dimensions. An extension dealing with cohesion and rolling friction turns out to be crucial for explaning the pore stabilization mechanism. Furthermore, our model shows that strong cohesion can stabilize even low coordinated packings such as particle chains. After compaction the porosity depends on the ratio of applied pressure to the cohesive force (scaled by the particle radius). For high pressures this dependence can be described by a power law. Consolidation experiments by the group of Prof. Schwedes at the Technical University of Braunschweig confirm this behavior for different sized powders. The influence of this scaling function on the stress driven compaction process can be explained by a simple model. Extending this model to strain driven processes, we predict density inhomogeneities inside the powders, which diminish with decreasing deforming rate and vanish in the limit of a quasistatic process. Experiments, usually performed at low strain rates, validate this homogeneous deformation in this case. Furthermore, we investigate the influence of the initial configuration. Fractal structures which include high differences in local density turn out to better stabilize pores against applied pressure. This is in accordance with experiments on silica gels which show increasing mechanical strength with growing local density inhomogeneities.