Temperatur- und druckabhängige PAC-Messungen zur Charakterisierung der Mikrostruktur in MAX-Phasen
Final Report Abstract
Basierend auf dem Konzept des Gradient-elastischen Tensors wurde ein Weg vorgestellt, mit Methoden der nuklearen Festkörperphysik interne Spannungen in beliebig komplexen Kristallen zu bestimmen. Bisher waren solche Untersuchung auf kubische Systeme limitiert, die zusätzlich als Einkristall vorliegen müssen. Diese Limitierung konnte durch Berechnungen der Gradientelastischen Konstanten mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie überwunden werden. Die Anwendung dieses Konzeptes auf die MAX-Phasen ermöglichte es, in-situ interne Spannungen im Material zu detektieren und dabei auftretende Versetzungsdichten abzuschätzen. Die durch diesen Ansatz berechneten Gradient-elastischen Konstanten weisen eine Genauigkeit von ungefähr 30% auf. Die theoretische Behandlung dieses Problems ermöglicht es erstmals, die Ursache der Dehnungsabhängigkeit des elektrischen Feldgradienten auf die dehnungsabhängige Änderungen der asymmetrischen Besetzung der p- und d-Unterzustände der jeweiligen Sonde zurückzuführen. Es zeigt sich, dass Vorhersagen der Gradient-elastischen Konstanten im Allgemeinen nicht möglich sind, da sich die Änderung aus zum Teil gegenläufigen Beiträgen der einzelnen Unterzustände zusammensetzt. Einzig die hier gezeigte, vollständige Berechnung der elektronischen Struktur erlaubt es, die Konstanten mit genannter Genauigkeit zu ermitteln. Es gelang erstmals in hexagonalen Systemen, Vorhersagen für die Verteilung des Feldgradienten zu entwickeln, wie sie in der Umgebung bestimmter Defekte oder unter dem Einfluss einer elastischen Verbreiterung zu erwarten sind. Es konnte eine obere Abschätzung der bei einer Verformung in das Material eingebrachten Versetzungsdichte angegeben werden. Die eingebrachten Versetzungen entsprechen im Falle der MAX-Phasen einem Anstieg der Versetzungsdichte von ungefähr 10^14 - 10^15 m^-2. Die hergeleiteten Feldgradientenverteilungen lassen sich auch direkt in anderen Methoden, wie beispielsweise der NMR- oder Mößbauerspektroskopie, zur quantitativen Beschreibung von internen Spannungen verwenden. Die an den Mischkristallen durchgeführten Experimente verdeutlichen – auch ohne explizite Berechnung der elektronischen Struktur – abermals die Relevanz der asymmetrischen Besetzung der p- und d-Unterzustände für den EFG. Es zeigte sich, insbesondere bei der in dieser Arbeit neu entdeckten MAX-Phase Ti2(Al0,5,In0,5)C, deutlich, dass die dabei relevante Asymmetrie in hohem Maße sensitiv auf eine lokale Störung in der Basalebene reagiert. Die durchgeführten Messungen zeigen deutlich, dass es sich bei den MAX-Phasen-Mischkristallen um vollständig homogene Substitutionsmischkristalle handelt; eine lokale Ordnung oder gar eine Phasenseparation kann ausgeschlossen werden. Ein weiteres Forschungsfeld eröffnet sich durch die in diesem Projekt gezeigte Möglichkeit, Dünnschichtsysteme von MAX-Phasen mit der PAC-Methode zu charakterisieren.
Publications
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Single crystal pillar microcompression tests of the MAX phases Ti2InC and Ti4AlN3. Scripta Materialia 69 (2013) 303
C. Brüsewitz, I. Knorr; H. Hofsäss; M. W. Barsoum; C. A.Volkert
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Perturbed angular correlation studies of uniaxial compressive stressed zinc, titanium, rutile, Ti2AlN, and Nb2AlC. Journal of Physics: Condensed Matter 26 (2014) 295501
C. Brüsewitz, U. Vetter, H. Hofsäss and M.W. Barsoum
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Determination of gradient elastic tensors: stress and strain dependencies of electric field gradients in cubic and hexagonal systems. J. Phys.: Cond. Matter 27 (2015) 055401
C. Brüsewitz, U. Vetter, H. Hofsäss
