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Neue nanostrukturierte Materialien durch Defactants

Subject Area Synthesis and Properties of Functional Materials
Term from 2009 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 115547210
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurde ein neu entwickeltes materialwissenschaftliches Konzept durch gezielte Experimente verifiziert. In dem Konzept wird die Energie ermittelt, die nötig ist, um die periodisch Anordnung der Atome im Kristallgitter des Materials zu unterbrechen. Das neue Konzept ist aus einer Verallgemeinerung eines bekannten thermodynamischen Gesetzes entstanden. In diesem stellt die Oberfläche eines Materials eine Diskontinuität dar und so wird z.B. eine dortige Anreicherung von Tensid-Molekülen die Bildungsenergie neuer Oberflächen herabsetzen, was auch als Absenkung der Oberflächenspannung bezeichnet wird. Diese spezielle Gesetzmäßigkeit ist allgemein bekannt und wird z.B. beim Waschen genutzt oder hilft beim Atmen die mit einem wässrigen Film bedeckte Oberfläche der Lungenbläschen mit geringem Energieaufwand zu vergrößern. In modernen Werkstoffen sind die Atome von vielen beteiligten Elementen oftmals in komplexer Weise angeordnet. Dabei können Abweichungen von einer idealen Gitteranordnung die Materialeigenschaften sowohl negativ als auch positiv beeinflussen. Diese Abweichungen werden - trotz eines möglichen positiven Einflusses - Defekte genannt. Solche Defekte - oder besser Diskontinuitäten genannt - entstehen z.B. wenn ein Atom aus dem Gitter entfernt wird und eine Leerstelle gebildet wurde. Weitere Diskontinuitäten sind Korngrenzen, das sind flächenförmige Defekte, an denen die Richtung der kristallinen Anordnung der Atome abrupt geändert wird. Will man nun solche positiv wirkenden Diskontinuitäten in einem Material gezielt oder verstärkt erzeugen, so bildet das oben genannte Konzept dafür die geeignete Grundlage. Danach erhöhen Legierungsbestandteile, die sich an den Defekten anreichern, die Bildungsrate der Defekte und behindern ihr Ausheilen. Beides führt zu einer größeren Defekt-Konzentration und der angestrebten Eigenschaftsverbesserung. Eine Erhöhung der Festigkeit kann z.B. durch eine höhere Konzentration an Korngrenzen erzielt werden. Inwieweit das auf alle Diskontinuitäten verallgemeinerte Konzept gültig ist und etwa bei der Entwicklung von Legierungen eingesetzt werden kann, wurde für verschieden Defekte untersucht. Dabei spielt z.B. die Erhöhung der Festigkeit von Materialien oder eine effizienten Wasserstoffspeicherung in Materialien eine zentrale Rolle. Das neue allgemeinere Konzept ermöglicht weiterhin, ein tieferes Verständnis für die Wechselwirkung von Legierungsatomen mit Defekten in der Materialstruktur zu erlangen. So konnte für das altbekannte Phänomen der Versprödung von Stählen durch Wasserstoff eine neue Betrachtungsweise angeboten werden, die viele experimentell ermittelte Zusammenhänge auf eine wissenschaftlich fundierte Grundlage stellen kann und deshalb auch zunehmend von der Fachwelt akzeptiert wird. Intensiv wurden auch linienförmige Defekte, wie die Stufenversetzungen, die die Grenzlinie einer in das kristalline Gitter eingeschobenen Halbebene bilden, untersucht. Die erwarteten positiven Festigkeitssteigerungen wurden im Projekt beispielhaft an nanokristallinen Eisen-Kohlenstofflegierungen und an stark verformten Palladium-Wasserstofflegierungen untersucht. Im ersten Fall werden durch Kohlenstoff sehr viele Korngrenzen erzeugt, so dass die kristallinen Bereiche zwischen den Grenzen nur wenig Nanometer groß sind. Dadurch wird die Bewegung von Versetzungen eingeschränkt und die Legierung gehärtet. Im zweiten Fall begünstigt der Wasserstoff die Bildung der Versetzungen und härtet so das Palladium. Das neue Konzept der Defektbildung durch Legierungsbestandteile lässt aber auch verstehen, warum sich Versetzungen in Gegenwart von Wasserstoff schneller bewegen und so das Voranschreiten eines Risses beschleunigen können. Dieser Effekt wird für die Wasserstoffversprödung von Metallen und den damit verbundenen Ausfall von Lagern großer Windkraftanlagen verantwortlich gemacht. Ein im Projekt angestrebtes grundlegendes Verständnis der atomaren Mechanismen könnte hier bei der Vermeidung der Wasserstoffversprödung hilfreich sein.

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