Simulation und experimentelle Untersuchung des Reaktionsverhaltens morphologisch modifizierter reaktiver Multischichten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich; Professorin Dr. Britta Nestler; Dr.-Ing. Michael Stüber
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426339194

Reaktive metallische Multischichten bilden eine Unterklasse der Reaktivmaterialien. Sie sind zu selbstfortschreitenden Reaktionen fähig und ihr Reaktionsverhalten wird wesentlich durch die Art, Größe, Gestalt und Verteilung der Reaktanden bestimmt. In der ersten Förderphase wurden Ergebnisse zum Reaktionsverhalten von planaren, binären Ni/Al- und Ru/Al-Multischichten in selbstfortschreitenden Reaktionen in freistehenden Schichten sowie bei kontrollierter Wärmebehandlung mit niedrigen Heizraten auf Substrat erarbeitet. Ein Phasenfeldmodell zur Simulation der Gefügeentwicklung in Ru/Al während und nach der selbstfortschreitenden Reaktion wurde etabliert und mit experimentellen Ergebnissen validiert. In Wärmebehandlungsexperimenten wurde der Einfluss der Bilayerdicke der Multischicht für die Phasensequenz in Ru/Al erarbeitet. Basierend auf den Ergebnissen der ersten Förderphase wurden mehrere neue Ansatzpunkte identifiziert, mit denen die Architektur von Ni/Al- und Ru/Al-Multischichten kontrolliert verändert werden kann, um durch Schlüsselexperimente bei hohen und niedrigen Heizraten in Kombination mit Phasenfeldsimulationen ein tieferes Verständnis der bestimmenden Vorgänge auf der Mikroskala zu gewinnen. Hier spielen vor allem Stoff- und Wärmetransportvorgänge eine dominierende Rolle, wobei zwei Ansätze in diesem Projekt verfolgt werden. Im ersten Ansatz werden durch die Verwendung laserstrukturierter Substrate für die Schichtabscheidung gezielt Poren durch Abschattungseffekte an festgelegten Stellen in der Multischicht erzeugt. Diese unterbinden lokal den Stoff- und Wärmetransport während der Reaktion. Die strenge Lokalisierung der Poren erlaubt dabei den Vorher-nachher-Vergleich mit dem durchreagierten Material. Der zweite Ansatz basiert auf der Einbringung von Zwischenschichten aus B2-RuAl bzw. B2-NiAl zwischen die Einzellagen aus Ru und Al bzw. Ni und Al. Dies reduziert die gespeicherte Energiedichte, ohne die Gesamtzusammensetzung der Multischicht zu verändern und wird darüber hinaus den Stofftransport behindern. Letzteres ist sowohl für die selbstfortschreitende Reaktion als auch für die Umwandlung bei niedrigen Heizraten relevant. Mit Blick auf selbstfortschreitende Reaktionen liegt auch in dieser Phase der Fokus auf Grundlagenforschung ohne zusätzliche Substrateinflüsse. Die Auswirkung beider Ansätze wird sowohl experimentell als auch mittels Phasenfeldsimulation untersucht. Hierzu wird das Modell zur Gefügeentwicklung aus der ersten Förderphase erweitert, um auch Wärmefreisetzung simulieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professorin Isabella Gallino, Ph.D.; Dr. Jörg Pezoldt