Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff durch chemische Gasphaseninfiltration: Experimentelle Analyse und numerische Simulation des Herstellungsprozesses

• Antragsteller: Professor Dr. Olaf Deutschmann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 58345363

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der im Rahmen des SFB 551 erarbeiteten Mechanismus der chemischen Gasphasenimprägnierung mit Kohlenstoff wurde durch sukzessive Berücksichtigung weiterer Einflüsse wie Aufheizen und Abkühlen sowie durch Einfügen weiterer Reaktionen so weit verbessert, dass die Zusammensetzung der Gasphase am Austritt aus dem Reaktor befriedigend beschrieben wird. Die Ergebnisse der Simulationen wurden durch gaschromatographische Untersuchungen überprüft. Durch Kopplung der homogenen Gasphasenreaktionen mit auf der Oberfläche ablaufenden heterogenen Abscheidungsreaktionen konnte die örtliche Verteilung des abgeschiedenen Kohlenstoffs unter Berücksichtigung der Änderung der Zusammensetzung der Reaktionsmasse infolge des entstandenen Wasserstoffs für Filze mit unterschiedlichem Volumenanteil der Kohlenstofffasern berechnet und experimentell bestätigt werden. Schließlich gelang es auch, den Mechanismus durch Einfügen weniger weiterer Reaktionen auf die Abscheidung von Kohlenstoff unter Verwendung von Ethanol auszudehnen. Die entwickelten Computerprogramme gestatten es heute, den Herstellungsprozess Kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffes durch chemische Gasphaseninfiltration auf dem molekularen Geschehen basierend numerische zu simulieren. Der Erfolg des Projektes und der erzielte beachtliche Fortschritt im Verständnis der elementaren Grundlagen und deren Applikation für die Simulation des Herstellungsprozesses sind sowohl durch die enge und fruchtbare Zusammenarbeit mit den Kollegen des Paketantrages begründet als auch durch Synergien mit zwei weiteren durch die DFG geförderten Projekten im Themenbereich der Kohlenstoffverbundwerkstoffe.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Detailed Chemical Kinetic Modeling of Prolysis of Ethylene. Acetylene and Propylene at 1073-1373 K with a Plug Flow Reactor Model. International Journal of Chemical Kinetics 40 (2008) 199-208
  K. Norinaga, V.M Janardhanan, O. Deutschmann
  
• Modeling and simulation of materials synthesis: Chemical vapor deposition and infiltration and pyrolytic carbon. Composites Science and Technology 68 (2008) 1097–1104
  A. Li, K. Norinaga, W. Zhang, O. Deutschmann
  
• Numerical studies of the influence of textural gradients on the local stress concentrations around fibers in carbon/carbon composite, Com. in Num. Math. in Eng., 24(12):2194-2205, (2008)
  R. Piat, I. Tsukrov, T. Böhlke, N. Bronzel, B. Reznik, D. Gerthsen, E. Schnack
  
• Pyrolysis of propane under vacuum carburizing conditions: An experimental and modeling study. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 81 (2008) 148-156
  R.U. Khan, S. Bajohr, D. Buchholz, R. Reimert, H.D. Minh, K. Norinaga, V.M. Janardhanan, S. Tischer, O.Deutschmann
  
• Analysis of pyrolysis products from light hydrocarbons and kinetic modeling for growth of polycyclic aromatic hydrocarbons with detailed chemistry. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 86 (2009) 148-160
  K. Norinaga, O. Deutschmann, N.i Saegusa, J.Hayashi
  
• 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. Invited lecture, 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. Invited lecture, 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
  
• Synthesis of pyrolytic carbon composites using ethanol as precursor. Industrial & Engineering Chemistry Research 49 (2010) 10421–10427
  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
  
• Chemistry and Kinetics of Chemical Vapor Deposition of Pyrolytic Carbon from Ethanol. Proceedings of the Combustion Institute 33 (2011) 1843-1850
  A. Li, S. Zhang, B. Reznik, S. Lichtenberg, G. Schoch, 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
  
• Computational Fluid Dynamics of Catalytic Reactors. In Modeling of Heterogeneous Catalytic Reactions: From the molecular process to the technical system. O. Deutschmann (Ed.), Wiley-VCH, Weinheim 2012
  V.M. Janardhanan, O. Deutschmann
  
• 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