Elektrische Leitfähigkeit von binären PMMA / Kohlenstoff-basierten Füllstoffen und ternären Poly (alkylmethacrylat) / PS / Kohlenstoff-basierten Füllstoff-Verbundfilmen

In this work, binary PMMA/CB, PMMA/CF and PMMA/CNT composite films, as well as ternary PalkylMA/PS/CB and PalkylMA/PS/CNT composite films were fabricated and the electrical behavior of the composite films were investigated. (a) PMMA/CF binary composite films with seven ARs of CF from 49 to 616 and different CF volume fractions from 0.1 to 5.0 vol. % were prepared utilizing the solution casting method. As both AR of CFs and CF volume fraction increases, in-plane and perpendicular directions conductivities of composite films increase. Two different pre-factors K for Balberg excluded volume theory is revealed considering measurement directions for the in-plane and perpendicular direction of the film. A proportionality was revealed for percolation threshold of different measuring directions. Moreover, binary PMMA/CB and PMMA/CNT composite films were obtained from solution casting as well. An obvious difference between the CB distribution at the bottom and the top of the PMMA/CB composite film was observed when CB volume fraction at 0.5 vol. %. The in-plane percolation threshold and perpendicular percolation threshold with different carbon fillers (CB, CF and CNT) show totally different behaviors. For different filler types (CB, CF, CNT), a power-law behavior was revealed correlating the percolation threshold and corresponding exponent t in McLachlan theory for perpendicular and in-plane directions. (b) The conductivity of poly(alkyl methacrylate) (PalkylMA)/Polystyrene (PS)/carbon black (CB) and poly (cyclohexyl methacrylate) (PChMA)/PS/CB ternary composite films were prepared from the solution casting. The percolation threshold of all the films before and after annealing have been investigated. The conductivity of all four different kinds of composite films was presented in four contour plots versus CB concentration and polymer blend ratios, respectively. The location of CB particles was preferentially located into the PS phase for PMMA/PS, PBMA/PS, PEMA/PS blends, and into the PChMA phase for PChMA/PS blend, respectively. The c of both PMMA/PS/CB and PBMA/PS/CB ternary composite films decreased when PMMA and PBMA were added into the PS phase, this can be explained by the double percolation effect. However, even if the CB particles were only located in the PS phase as well, the PEMA/PS/CB films (PEMA/PS = 50/50) showed a higher percolation threshold due to the double emulsion structure of PEMA/PS blends. The percolation threshold of PMMA/PS/CB composites obtained from melt blending are all lower than that from the solution casting even they show the same changing tendency with polymer blend ratio changing. (c) Ternary PalkylMA/PS/CNT composite films with different PalkylMA/PS ratios and CNT concentrations were prepared using solution casting. CNT was preferentially in the PalkylMA phase which is different from PalkylMA/PS/CB films. An obvious double percolation effect was observed when PalkylMA/PS ratio is 50/50. The percolation threshold of ternary composite films at PMMA/PS=50/50 and PEMA/PS=50/50 decreased by 69.0% and 73.1% in comparison to that pure PMMA/CNT and PEMA/CNT, respectively. (d) For the solution cast films in this work, a series of percolation threshold and exponent t pairs could be obtained from the percolation curves of different carbon-based fillers utilizing the McLachlan equation. In particular, pairs derived perpendicular and in-plane to the films for binary composite films with CF of different AR as well as pairs derived perpendicular for ternary composite films with different polymer blends and different polymer blend ratios for both CB and CNT filler were investigated. In these systems, the exponent t for all three fillers is different from the value of 2.0 often referred to as “universal”. For the first time a relationship between percolation threshold and exponent t following a linear behavior t=2.0+a∙ϕ_c is proposed, indicating there is an intersection with the t-axis at t=2.0 when percolation threshold approaches 0.In dieser Arbeit wurden binäre Verbundfolien aus Polymethylmethacrylat (PMMA)/Kohlefaser (CF), PMMA/Kohlenschwarz (CB), PMMA/Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), sowie ternäre Verbundfolien aus Polyalkylmethacrylat (PalkylMA)/ Polystyrol (PS)/CB und PalkylMA/PS/CNT hergestellt. Diese produzierten, leitfähigen Polymerverbundwerkstoffe wurden bezüglich ihres elektrischen Verhaltens analysiert. (a) Unter Verwendung des Filmgießprozesses wurden Folien aus PMMA/CF mit verschiedenen CF Konzentrationen von 0,1 bis 5,0 Vol .-%. und sieben Aspektverhältnissen von CF von 49 bis 616 hergestellt. Die Analyse der Leitfähigkeit dieser Verbundfolien zeigte sowohl senkrecht als auch parallel zur Filmebene eine Zunahme ebendieser Kenngröße, wenn sowohl das Aspektverhältnis der CF als auch die Konzentration zunehmen. Weiterhin wurde gezeigt, dass für die „excluded volume theory“ nach Balberg die Vorfaktoren K, unter Berücksichtigung der Messrichtung entlang und senkrecht der Ebene, gelten. Hierbei wurde eine Proportionalität zwischen Zwei Richtungen Perkulationsgrenzwert. Zusätzlich wurden leitfähige Verbundfolien mit unterschiedlichen Füllstoffkonzentrationen mithilfe des selben Verfahrens aus PMMA/CB und PMMA/CNT hergestellt. REM-Aufnahmen der PMMA/CB Verbundfilme zeigen, dass der obere und untere Randbereich dieser Proben einen offensichtlichen Konzentrationsunterschied von 0,5 Vol .-% zum Rest der Probe aufweist. Die kritischen Perkolationsfüllgrade senkrecht und parallel zur Messebene zeigen für die unterschiedlichen Füllstoffe extrem unterschiedliche Verhaltensweisen. Für PMMA / CB-Verbundfolien ist aufrecht Perkolationsfüllgrade viel höher als in der Ebene. Für die verschiedenen Füllstoffe (CB, CF, CNT) wurde ein Potenzgesetz ermittelt, indem der Exponent t aus der McLachlan-Gleichung mit dem senkrechten und parallel zur Ebene liegenden Perkolationsfüllgrade korreliert wurde. (b) In dieser Arbeit wurde die elektrische Leitfähigkeit und im Besonderen Perkolationsfüllgrade von ternären Verbundfilmen aus filmgegossenen PalkylMA/PS/CB und PchMA/PS/CB Folien vor und nach dem Tempern untersucht. Die Leitfähigkeit der vier verschiedenen PalklyMA/PS Folien wurde in vier Konturplots über die CB Konzentration und Polymermischungsverhältnisse aufgetragen. Die Analyse der Filme ergab, dass die CB-Partikel sich bevorzugt in der PS Phase für PMMA/PS, Polybutylmethacrylat (PBMA)/PS, Polyethylmethacrylat (PEMA)/PS Blends bzw. in der Polycyclohexylmethacrylat (PchMA) Phase für PChMA/PS Blends befanden. Die Perkolationsschwellen Perkolationsfüllgrade der ternären Verbundfilme PMMA/PS/CB und PBMA/PS/CB nehmen mit der Zugabe von PMMA oder PBMA in die PS Phase ab. Dies kann durch das Auftreten eines doppelten Perkolationseffekts erklärt werden. Unter der Annahme, dass das CB hier ebenfalls nur im PS gelöst ist, zeigen die PEMA/PS/CB Filme (PEMA/PS=50/50) eine höhere Perkolationsschwelle aufgrund der Mischungsstruktur des PEMA/PS Blends. Die Perkolationsschwellen der PMMA/PS/CB Mischungen, die über eine Mischung der Polymerschmelzen hergestellt wurden, liegen, im Vergleich zu den filmgegossenen Proben, alle bei kleineren Werten. Eine Änderung der Mischungszusammensetzungen der Proben, die mit dieser Herstellungsmethode erzeugt wurden, zeigen vergleichbare Trends zu denen der filmgegossenen Proben. REM Aufnahmen von PalkylMA/PS mit dem Mischungsverhältnis 50/50 und CB Konzentrationen von 2 vol.% vor und nach dem Tempern wurden als typische Beispiele dargestellt. In PMMA/PS/CB und PBMA/PS/CB Verbundfolien führt das Tempern zu einer Erhöhung der Partikelgröße und einer niedrigeren Perkolationsschwelle. Die Phasenmorphologie von PEMA/PS/CB ändert sich von einer Doppelemulsionsstruktur zu einer co-kontinuierlichen Struktur. Im PChMA/PS/CB System kann unter dem REM keine Phasenseparation beobachtet werden. (c) In diesem Teil wurden ternäre PalkylMA/PS/CNT-Verbundfilme mit unterschiedlichen Polymermischungsverhältnissen und CNT-Konzentrationen unter Verwendung eines Lösungsgießverfahrens hergestellt. CNT befand sich bevorzugt in der PalkylMA-Phase, was diese von den PalkylMA/PS/CB-Filmen unterscheidet, bei denen sich CB bevorzugt im PS löst. Alle c von ternären PalkylMA/PS/CNT-Verbundfilmen wurden systematisch untersucht und die experimentellen Daten wurden unter Verwendung der McLachlan-Theorie angepasst. Ein offensichtlicher doppelter Perkolationseffekt wurde beobachtet, wenn das PalkylMA/PS-Verhältnis 50/50 beträgt. Der Perkolationsfüllgrade von ternären Verbundfilmen bei PMMA/PS = 50/50 und PEMA/PS = 50/50 nahm im Vergleich zu reinem PMMA/CNT bzw. PEMA/CNT um 69,0% bzw. 73,1% ab. (d) Für die in dieser Arbeit lösungsgegossenen Filme konnte eine Reihe von Perkolationsfüllgrade und Exponenten-t-Paaren aus den Perkolationskurven verschiedener Füllstoffe auf Kohlenstoffbasis unter Verwendung der McLachlan-Gleichung erhalten werden. Insbesondere wurden Paare untersucht, die senkrecht und in der Ebene zu den Filmen für binäre Verbundfilme mit CF unterschiedlicher AR abgeleitet wurden, sowie Paare, die senkrecht zu ternären Verbundfilmen mit unterschiedlichen Polymermischungen und unterschiedlichen Polymermischungsverhältnissen sowohl für CB- als auch CNT-Füllstoffe abgeleitet wurden. In diesen Systemen unterscheidet sich der Exponent t für alle drei Füllstoffe von dem Wert von 2,0, der häufig als "universell" bezeichnet wird. Zum ersten Mal wird eine Beziehung zwischen c und Exponent t nach einem linearen Verhalten t = 2,0 + a∙ϕ_c vorgeschlagen, was darauf hinweist, dass es einen Schnittpunkt mit der t-Achse bei t = 2,0 gibt, wenn sich Perkolationsfüllgrade 0 nähert

Performance Test and Commissioning of Recoil Detector of HESR Day-One Experiment

The proposed Day-One experiment at HESR is to measure antiproton-proton elastic scattering in a large range of four momentum transfer squared t (0.0008 - 0.1 GeV2). One goal of the experiment is to determine the elastic differential parameters, i.e. σT, ρ and b. The elastic scattered antiproton and recoil proton will be measured by tracking detectors in the forward angle region and by recoil detectors near θ=90∘, respectively. The recoil detectors consist of two silicon detectors and two germanium detectors which cover a polar angle from 71∘ to 91.5∘. All detectors are single-sided structure with 1.2 mm pitch on the front side. The two silicon detectors have the same dimensions, 76.8 mm × 50.0 mm × 1.0 mm. The two germanium detectors have the same sensitive area but different thickness, 80.4 mm × 50.0 mm × 5.0 (11.0) mm.After assembling and system tests in the laboratory with radioactive source 244Cm, the detector system has been installed into COSY ring. The commissioning experiments by using proton beam has been performed in 2013. Data of proton-proton elastic scattering has been taken at several momenta. Preliminary data analysis indicate that the recoil detectors are working as good as expected. The latest results will be presented