Suche nach kompatiblen Zirkonoxid-basierten Formgedächtniskeramiken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckhard Quandt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453203767

Metallische Formgedächtnislegierungen (FGL) zeigen zwei Eigenschaften von Interesse: den Formgedächtniseffekt, der für Festkörperaktoren verwendet wird, und die Superelastizität z.B. für selbstexpandierende medizinische Implantate. Sie beruhen auf einer reversiblen, thermisch- oder spannungsinduzierten Phasenumwandlung erster Ordnung zwischen Austenit- und Martensitphasen mit großen Eigenspannungen, die zu großen Dehnungen und Enthalpieänderungen führen. Die Reversibilität wird durch die Kompatibilität der beiden Phasen erreicht, was zur Reduktion der lokalen Grenzflächenspannungen und der Hysterese führt. Diese Kompatibilität kann durch die Bedingung ausgedrückt werden, dass der mittlere Eigenvektor der Transformationsmatrix idealerweise gleich eins sein muss.Aufgrund der in metallischen FGL verwendeten Elemente ist ein Einsatz unter korrosiven chemischen Bedingungen oder bei extremen Temperaturen schwierig. Dies motiviert eine neue Klasse von Formgedächtnismaterialien, die aus Metalloxiden bestehen und als Formgedächtniskeramik (FGK) bezeichnet werden. Obwohl Swain 1986 erstmals ein geeignetes Oxid (MgO-stabilisiertes ZrO2) identifizierte, führt die bislang fehlende Kompatibilität zur Entstehung von Rissen und starker zyklischer Ermüdung.In früheren eigenen Untersuchungen wurden die Ergebnisse bezüglich der Kompatibilität von metallischem FGL auf das keramische System (Y0.5Ta0.5O2)1-x (Zr0.5Hf0.5O2)x übertragen. Die Hauptergebnisse waren eine signifikante Abhängigkeit der Transformationshysterese von der Zusammensetzung und eine starke Abhängigkeit der stressinduzierten Orientierung der martensitischen Varianten von der Hysterese, ohne allerdings annähernd die Eigenschaften metallischer FGL zu erreichen. Auch die Abhängigkeit vom mittleren Eigenwert unterscheidet sich: Angesichts der zwei wahrscheinlichen Transformationsmechanismen legen die Ergebnisse nahe, dass die Zusammensetzung, bei der die Kompatibilität für beide Transformationen gleichermaßen gut erfüllt ist, den Punkt der niedrigsten Hysterese definiert (Äquidistanzbedingung).Das Hauptziel dieses Antrags ist die Suche nach FGK mit niedriger Hysterese und guten Formgedächtniseigenschaften. Diese Suche basiert auf einem Datensatz, der ungefähr 70 verschiedene FGK auf ZrO2-Basis mit den Transformationstemperaturen und den kristallographischen Daten enthält. Die entsprechenden Arbeitshypothesen lauten, dass für FGK die mittleren Eigenwerte beider Gitterkorrespondenzen so nahe wie möglich bei eins liegen müssen und dass diese Bedingungen zu zwei Gitterparameterbeziehungen führen, die darauf hindeuten, nach Dotierungen zu suchen, die die Tetragonalität verringern.Zusätzlich zu diesem Hauptziel werden wir untersuchen, ob ein Ansatz des maschinellen Lernens auf der Grundlage des verfügbaren Datensatzes physikalischer Parameter geeignet ist, Zusammensetzungen für FGK mit signifikant verbesserten Eigenschaften hinsichtlich Hysterese und Transformationsreversibilität zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Großgeräte: Mikromanipulator für Elektronenmikroskopie mit Heiztisch bis 450°C
• Gerätegruppe: 4660 Mikromanipulatoren, Elektrodenziehgeräte, Mikroschmieden
• Kooperationspartner: Professor Dr. Richard D. James