Elektronenstruktur-basiertes Design thermoschockresistenter Nanolaminate

• Antragsteller: Professor Jochen M. Schneider, Ph.D., seit 9/2020
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406083527

Thermoschockbeanspruchungen aufgrund rascher Temperaturwechsel führen zu einem Anstieg temperaturinduzierter Spannungen in Bauteilen und verursachen oft Schädigung bzw. Bauteilversagen. Obwohl Thermoschocks in einer Vielzahl von Anwendungen auftreten, existieren nur wenige grundlegende Arbeiten zum wissensbasierten Design von temperaturwechsel-beständigen Werkstoffen. Die Temperaturwechselbeständigkeit wird beschrieben durch den Thermoschockparameter RS, der als Eingangsgrößen die Biegefestigkeit, die thermische Leitfähigkeit, die Poisson-Zahl, den linearen Wärmedehnungskoeffizienten und den Elastizitätsmodul beinhaltet. Zur Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit ist eine Maximierung von RS nötig, was aufgrund der der Abhängigkeit der Eingangsgrößen voneinander und dem Einfluss extrinsischer Faktoren eine erhebliche Herausforderung für die Werkstoffentwicklung darstellt. Durch einen korrelativen theoretisch-experimentellen Ansatz sollen die Zusammenhänge zwischen RS, der chemischen Zusammensetzung und extrinsischer Faktoren für Ti2AlC, Zr2AlC, Zr3AlC2, und Ta4AlC3 erforscht. Dies ermöglicht die systematische Untersuchung des Einflusses der Übergangsmetallvalenzelektronenkonzentration (IVB und VB), der Übergangsmetallatomradien (Ti2AlC vs. Zr2AlC) und der Stapelsequenz (Verhältnis von Zr-C zu Al Lagen in Zr2AlC und Zr3AlC2) auf den Thermoschockparameter. Als extrinsische Faktoren sollen die Korngröße, Spannungszustände und Atmosphärenexponierung berücksichtigt werden. Durch kombinatorische Dünnschichtsynthese wird der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die thermomechanischen Eigenschaften untersucht, die Entkopplung von der Mikrostrukturevolution erfolgt über Variation des Bias-Potentials und der Substrattemperatur; Eigenspannungen werden zur Abgrenzung von thermisch induzierten Spannungen erfasst. Der Einfluss der Atmosphärenexponierung auf die thermomechanischen Werkstoffeigenschaften wird durch Variation der Belüftungstemperatur nach der Schichtsynthese untersucht. Trotz des bekannt großen Einflusses der Oberflächenchemie auf die Werkstoffeigenschaften werden derartige Untersuchungen erstmals für temperaturwechselbeständige Werkstoffe durchgeführt. Alle experimentellen Arbeiten werden durch Simulationsrechnungen nach der Dichtefunktionaltheorie begleitet, um ein tiefgreifendes Verständnis der experimentell ermittelten Zusammenhänge auf Ebene der elektronischen Struktur zu erarbeiten. Hierbei kommen mehrere innovative Ansätze wie die Berechnung des linearen Wärmedehnungskoeffizienten für amorphe und nichtkubische Phasen nach der Debye-Grüneisen-Theorie, die Simulation der thermischen Leitfähigkeit niedrig-symmetrischer Werkstoffsysteme auf der Elektronen- und Phononenebene sowie die explizite Berücksichtigung extrinsischer Faktoren zum Einsatz. Es wird erwartet, dass die zu erarbeitenden Kausalitäten einen wesentlichen Beitrag zum zukünftigen quantenmechanisch-geführten Designs von temperaturwechselbeständigen Werkstoffen bilden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Großgerät zur Wärmeleitfähigkeitsmessung
• Gerätegruppe: 8690 Sonstige Meßgeräte für thermische Größen (außer 860-868)
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Denis Music, Ph.D., bis 8/2020