Conductive and Radiative Heat Transport: Contributions from Experimental and Theoretical Methods

Titelangaben

Herrmann, Kai:
Conductive and Radiative Heat Transport: Contributions from Experimental and Theoretical Methods.
Bayreuth , 2022 . - xvi, 264 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006779

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Abstract

This thesis is dedicated to mainly two aspects of heat transport in current research materials. The first aspect is conductive heat transport which, in the investigated non-metals, mostly takes place through vibrations. The second aspect is radiative heat transport which is of particular interest at high temperatures or special applications like passive radiative cooling.
First, the photoacoustic technique was theoretically optimized and verified experimentally for the cross-plane conductive thermal characterization of polymeric thin films. With this measurement method, a temperature oscillation is optically excited, which can be measured with a microphone utilizing a resulting pressure oscillation. Depending on the sample's thermal properties, the pressure signal contains information about the surface temperature, which has a characteristic phase shift and amplitude relative to the excitation. Non-linear data analysis can, therefore, be used to determine the properties of the sample by fitting the measurement data to an appropriate multi-layer model.
The optimized measurement setup could subsequently be used for the thermal characterization of current research materials in addition to the general proof of applicability.
The first systems were P3HT thin films with different molecular weights, prepared from three different solvents, where possible relations between the microstructural optoelectronic properties extracted from deconvolution of absorption spectra and the thermal conductivity were explored. A variation of the optoelectronic properties, mainly regarding molecular weight, was apparent, while no direct influence of the solvent was discernible. In contrast, the thermal conductivities of all examined films demonstrated an insignificant variability. We, therefore, concluded that mainly the amorphous phase determines the thermal transport properties in these semi-crystalline thin films, as these represent a bottleneck for thermal transport.
The second systems were fully amorphous ampholytic polymers that exhibited different donor and acceptor groups to form hydrogen bonds. In addition to measurements depending on the humidity and/or water absorption of the polymers, a correlation between the strength of the hydrogen bonds and the thermal conductivity was observed. The strength of the hydrogen bonds was determined by deconvolution of the characteristic carbonyl peak of the IR absorption. A direct correlation between the hydrogen bond strength and the thermal conductivity was observed for the thin films investigated.
Thirdly, anisotropic hybrid Bragg stacks of highly ordered fluorohectorite clay layers that alternate with one or two poly(ethylene glycol) layers were explored. For in-plane thermal characterization, lock-in thermography was used to investigate the anisotropy. The mechanical properties were examined using Brillouin light spectroscopy, indicating an almost ideal reinforcement of the hybrid material and exceptionally high Young's moduli.
Furthermore, 2D hybrid perovskites were studied compared to the widely used 3D methylammonium lead iodide. The influence of the organic cations on the thermal and electronic properties was investigated using light flash analysis, first-principles and molecular dynamics calculations, ultraviolet photoelectron spectroscopy and Raman measurements. As a result, an atomistic understanding of the effects of dimensional reduction on properties relevant to electronic and thermal transport was developed.
While conduction is the dominant transport mechanism in the materials outlined above, radiative transport is the second subject to be investigated.
Particulate silica materials are an exciting and at ambient thermally highly insulating material class that was investigated up to 925 °C by light flash analysis. Performing multibody optical simulations and a newly developed model, a transition of the main transport channel from conduction at ambient to radiation at high temperatures was unraveled. Therefore, the materials partially lose their extraordinary insulating properties at high temperatures.
The final subject area, passive cooling, is a unique application of radiative heat transport. Although thermal radiation is relatively weak at ambient temperatures, outer space can be used as an ultimate heat sink when carefully designing the emitter material to take advantage of the atmospheric transparency window. First, an approach was developed to determine the optimum emitter thickness to maximize the cooling power at ambient conditions or reach the lowest equilibrium temperature. Furthermore, an in-house setup was designed, which allows reproducible cooling power measurements and the variation of several environmental parameters in contrast to rooftop measurements.
In summary, the conductive heat transport in thin films and free-standing samples was investigated in addition to the methodological development. Various structure-property relationships were elucidated, which improved the understanding of thermal transport on small length scales and provides guidance for future material development. Furthermore, through the analysis of radiative heat transport, it could be shown that particulate silica materials, which are highly insulating at room temperature, lose part of their insulating properties at high temperatures. Finally, in the field of passive radiative cooling, it was possible to show how the emitter thickness can be optimized, and a highly reproducible and variable in-house measurement setup was developed.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Arbeit widmet sich hauptsächlich zwei Aspekten des Wärmetransports in aktuellen Forschungsmaterialien. Der erste Aspekt ist der konduktive Wärmetransport, der in den untersuchten Nicht-Metallen meist durch Schwingungen erfolgt. Der zweite Aspekt ist der strahlende Wärmetransport, der vor allem bei hohen Temperaturen oder speziellen Anwendungen wie der passiven Strahlungskühlung von Interesse ist.
Zunächst wird die photoakustische Technik theoretisch optimiert und experimentell für die flächenübergreifende leitfähige thermische Charakterisierung von polymeren Dünnschichten verifiziert. Bei dieser Messmethode wird eine Temperaturschwingung optisch angeregt, die mit einem Mikrofon unter Ausnutzung einer resultierenden Druckschwingung gemessen werden kann. Abhängig von den Eigenschaften der Probe enthält das Drucksignal Informationen über die Oberflächentemperatur, die eine charakteristische Phasenverschiebung und Amplitude relativ zur Anregung aufweist. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenanalyse lassen sich daher die Eigenschaften der Probe bestimmen, indem die Messdaten an ein geeignetes Mehrschichtmodell angepasst werden. Der optimierte Messaufbau könnte anschließend neben dem allgemeinen Nachweis der Anwendbarkeit auch für die thermische Charakterisierung aktueller Forschungsmaterialien verwendet werden.
Bei den ersten Systemen handelte es sich um P3HT-Dünnschichten mit unterschiedlichen Molekulargewichten, die aus drei verschiedenen Lösungsmitteln hergestellt wurden, wobei mögliche Beziehungen zwischen den mikrostrukturellen optoelektronischen Eigenschaften, die aus der Entfaltung der Absorptionsspektren gewonnen wurden, und der Wärmeleitfähigkeit untersucht wurden. Es zeigte sich ein Kontrast zwischen den optoelektronischen Eigenschaften, vor allem in Bezug auf das Molekulargewicht, während kein direkter Einfluss des Lösungsmittels zu erkennen war. Im Gegensatz dazu zeigten die Wärmeleitfähigkeiten aller untersuchten Filme eine unbedeutende Variabilität. Wir kamen daher zu dem Schluss, dass hauptsächlich die amorphen Bereiche die Wärmetransporteigenschaften in diesen teilkristallinen dünnen Filmen bestimmen, da diese einen Engpass für den Wärmetransport darstellen.
Bei den zweiten Systemen handelte es sich um vollständig amorphe ampholytische Polymere, die unterschiedliche Donor- und Akzeptorgruppen zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen aufwiesen. Zusätzlich zu den Messungen in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit und/oder der Wasseraufnahme der Polymere wurde eine Korrelation zwischen der Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen und der Wärmeleitfähigkeit festgestellt. Die Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen wurde durch Entfaltung des charakteristischen Carbonylpeaks der IR-Absorption bestimmt. Für die untersuchten Dünnschichten wurde ein direkter Zusammenhang zwischen der Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen und der Wärmeleitfähigkeit festgestellt.
Drittens wurden anisotrope hybride Bragg-Stapel untersucht, die aus hoch geordneten Fluorhektorit-Tonschichten bestehen, die sich mit einer oder zwei Poly(ethylenglykol) schichten abwechseln. Zur thermischen Charakterisierung in der Ebene wurde auch hier die Lock-in-Thermografie eingesetzt, um die Anisotropie zu untersuchen. Die mechanischen Eigenschaften wurden mit Hilfe der Brillouin-Lichtspektroskopie untersucht, was auf eine nahezu ideale Verstärkung des Hybridmaterials und außergewöhnlich hohe Elastizitätsmodule hindeutet.
Darüber hinaus wurden 2D-Hybridperowskite im Vergleich zu dem weit verbreiteten 3D-Methylammoniumbleijodid untersucht. Der Einfluss der organischen Kationen auf die thermischen und elektronischen Eigenschaften wurde mit Hilfe von Lichtblitzanalysen, First-Principles-Rechnungen und Ultraviolett-Photoelektronen-Spektroskopie-Messungen untersucht. Als Ergebnis wurde ein atomistisches Verständnis der Auswirkungen der Dimensionsreduktion auf die für den elektronischen und thermischen Transport relevanten Eigenschaften entwickelt.
Während die Leitung der dominierende Transportmechanismus in den oben skizzierten Materialien ist, ist der Strahlungstransport das zweite Thema, das untersucht wird.
Partikuläre Siliziumdioxid-Materialien sind eine spannende und bei Raumtemperatur hochisolierende Materialklasse, die bis zu 925~$^\circ$C mittels Lichtblitzanalyse untersucht wurde. Durch optische Mehrkörpersimulationen und ein neu entwickeltes Modell konnte ein Übergang des Haupttransportkanals von Leitung bei Raumtemperatur zu Strahlung bei hohen Temperaturen entschlüsselt werden. Demnach verlieren die Materialien bei hohen Temperaturen teilweise ihre außergewöhnlichen Isolationseigenschaften.
Der letzte Themenbereich, die passive Kühlung, ist eine einzigartige Anwendung des strahlenden Wärmetransports. Obwohl die Wärmestrahlung bei Umgebungstemperaturen relativ schwach ist, kann der Weltraum als ultimative Wärmesenke genutzt werden, wenn das Strahlungsmaterial sorgfältig entworfen wird, um das atmosphärische Transparenzfenster zu nutzen. Zunächst wurde ein Ansatz entwickelt, um die optimale Strahlerdicke zur Maximierung der Kühlleistung bei Umgebungstemperaturen bzw. zum Erreichen der niedrigsten Gleichgewichtstemperatur zu bestimmen. Darüber hinaus wurde ein hausinterner Aufbau entwickelt, der reproduzierbare Messungen der Kühlleistung und die Variation verschiedener Umgebungsparameter im Gegensatz zu Messungen auf dem Dach ermöglicht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der konduktive Wärmetransport in dünnen Schichten und freistehenden Proben zusätzlich zur methodischen Entwicklung untersucht wurde. Es wurden verschiedene Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufgeklärt, was das Verständnis des Wärmetransports auf kleinen Längenskalen verbessert und Anhaltspunkte für die zukünftige Materialentwicklung liefert. Darüber hinaus konnte durch die Analyse des Strahlungswärmetransports gezeigt werden, dass partikelförmige Silika-Materialien, die bei Raumtemperatur hoch isolierend sind, bei hohen Temperaturen einen Teil ihrer isolierenden Eigenschaften verlieren. Schließlich konnte im Bereich der passiven Strahlungskühlung gezeigt werden, wie die Strahlerdicke optimiert werden kann, und es wurde ein hoch reproduzierbarer und variabler eigener Messaufbau entwickelt.