Kontaktphänomene bei Hochgeschwindigkeitskollisionen von Nanopartikeln mit Oberflächen

Rennecke, Stephan

Kollisionen von Nanopartikeln mit Oberflächen spielen in vielen technischen und natürlichen Prozessen eine entscheidende Rolle. Aufgrund der Dominanz der Oberflächen- gegenüber den Massenkräften sowie der geringen Dimensionen der Partikeln („Nanoeffekte“) wird im Vergleich zu makroskopischen Festkörpern ein neuartiges Verhalten vermutet. Aufgrund der schwierigen Erfassung von Naopartikeln sind in der einschlägigen Literatur bisher kaum experimentelle Ergebnisse dokumentiert. Der Stand der Technik ist daher noch vielfach die Annahme eines perfekten Anhaftens der Partikel nach den Gesetzen der klassischen Festkörperphysik. Gegenstand der Dissertation ist die Messung grundlegender Kenngrößen von Nanopartikeln-Wand-Kollisionen. Hierbei werden insbesondere der Impulsaustausch und die Bedeutung der Adhäsionskräfte auf die Haftwahrscheinlichkeit betrachtet. Zusätzlich wurde die Kontaktaufladung, welche Nanopartikel-Kollisionen stets überlagert ist, untersucht. Zu diesem Zweck wurden Nanopartikel/Wand-Kollisionen in einem modifizierten einstufigen Niederdruckimpaktor untersucht, welcher durch die Variation von Targetmaterial und –struktur die Bestimmung der Absprunggeschwindigkeit der Partikel, der übertragenen Kontaktladung und der Einsatzgeschwindigkeit für ein Abspringen sphärischer Einzelpartikel erlaubt. Aus den Ergebnissen wurde ein verallgemeinertes Modell zur Abscheidung von Nanopartikeln in Staupunktsströmungen abgeleitet. Die Messdaten zu den erfassten Größen zeigen, dass sich Nanopartikel-Kollisionen signifikant von denen makroskopischer Körper unterscheiden. So springen die Nanopartikeln bei deutlich kleineren Auftreffgeschwindigkeiten wieder ab, als es Messungen an Mikrometer-Partikeln und theoretische Herleitungen auf der Basis der klassischen Festkörpermechanik durch Extrapolation in den Nanometerbereich erwarten lassen. Dies bedeutet, dass Nanopartikeln in den Kollisionsprozessen eine stark erhöhte Härte zeigen im Vergleich zur langsameren Belastung makroskopischer Körper. Die durchgeführten Messungen bestätigen auch die Möglichkeit eines thermisch induzierten Abspringens von Nanopartikeln von Oberflächen, was bisher nur auf der Basis von theoretischen Betrachtungen zur Abscheideeffizienz von Partikelfiltern postuliert werden konnte. Messungen des normalen Restitutionskoeffizienten werden zur Validierung eines Molecular Dynamics (MD)-Algorithmus verwendet, durch welchen der Messung unzugängliche Aspekte der Kollision, wie die zeitliche Entwicklung der wirkenden Andruckkräfte auf die Partikeln und die zugehörige Kontaktflächen, untersucht werden können. Durch die gute Übereinstimmung von experimentell gemessenen und berechneten Restitutionskoeffizienten konnte erstmals gezeigt, werden dass die MD-Simulationen für die Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Nanopartikeln quantitativ verwertbare Ergebnisse liefern.

Collisions of nanoparticles with surfaces are of crucial importance in a variety of technical and natural processes. Due to the dominance of surface forces compared to mass forces and the small dimensions of the particles (“nano effects”) a new set of behaviours is expected compared to larger particles. As a consequence of the difficult measurement of nanoparticles only few experimental data can be found in the literature. Therefore, it is still state of the art to assume a perfect sticking behaviour of the particles according to the laws of solid body mechanics. Topic of this PhD thesis is the measurement of basic quantities of nanoparticle/surface collisions. The focus lies especially on the transfer of impulse and the impact of the adhesion force on the sticking probability. Additionally, the contact charging is investigated, as it is superimposed in every nanoparticle collision. For this purpose, nanoparticle surface collisions were investigated in a modified single-stage low pressure impactor, which allowed the determination of the particles’ rebound velocity, the transferred contact charge and the threshold velocity for particle rebound by using varying impaction targets and materials. The results were used to derive a generalized model of the deposition of nanoparticles from stagnation flows. The measurement results show, that nanoparticle collisions differ considerably from those of macroscopic particles. Nanoparticles rebound from surfaces at significantly smaller impact velocities than expected on the basis of results for micron particles and their extrapolation to the nanometer size range. This implies that nanoparticles exhibit a higher hardness compared to a quasi-static loading of macroscopic bodies. The performed investigations also confirm the possibility of a thermal rebound of nanoparticles from surfaces, which was only postulated on the basis of theoretical investigations of the deposition efficiency on particle filters so far. Measurements of the normal coefficient of restitution were used to validate a molecular dynamics (MD-) algorithm, which allows the investigation of hard to measure aspects of a collision, such as the temporal development of the contact force and corresponding contact area. Due to the good agreement of experimentally determined and calculated coefficients of restitution, it could be shown for the first time that MD-simulations produce quantitatively usable results for the description of the mechanical behaviour of nanoparticles.

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Rennecke, Stephan: Kontaktphänomene bei Hochgeschwindigkeitskollisionen von Nanopartikeln mit Oberflächen. 2015.

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