Erhöhung der Stabilität nanokristalliner Metalle

Aufgrund der einzigartigen mechanischen und funktionalen Eigenschaften nanokristalliner Materialien sind diese seit Jahrzenten Gegenstand umfangreicher Forschungen. Verschiedene Methoden zur Herstellung nanokristalliner Materialien stehen bereits zur Verfügung. Leider sind nanokristalline Strukturen aufgrund ihrer großen Korngrenzendichte thermisch sowie auch mechanisch instabil. Eine Vergröberung der Struktur führt aber dazu, dass sich die Eigenschaften dieser Materialien erheblich ändern. Daher ist die Stabilität nanokristalliner metallischer Materialien ein grundlegendes Thema um deren Anwendung in Zukunft zu ermöglichen. Fremdatome, Verunreinigungen und auch Ausscheidungen können eine nanokristalline Struktur gegen Kornwachstum stabilisieren. Die grundlegenden Mechanismen, welche die Stabilität einer nanokristallinen Struktur bestimmen Minimierung der Korngrenzenenergie durch Segregation oder Verringerung der Korngrenzenbeweglichkeit durch Fremdatome oder Ausscheidungen werden aktuell diskutiert und in dem nicht mischbaren "Modell"- Legierungssystem Co-Cu in diesem Projekt näher untersucht. Nanokristalline Materialien mit unterschiedlichem Gehalt und Art an Fremdatomen und Verunreinigungen werden mit Hilfe der Hochverformung und der elektrolytischer Abscheidung aus diesem Legierungssystem hergestellt. Darüber hinaus kann die Bildung übersättigter Mischkristalle in diesem Legierungssystem, welches außerdem interessante einzigartige magnetische Eigenschaften besitzt, untersucht werden. Die anfängliche Mikrostruktur von nanokristallinen Materialien, wie zum Beispiel die Textur, hängt stark von der gewählten Herstellungsmethode ab, wobei in diesem Projekt zwei verschiedene Herstellmethoden verwendet werden. Der Einfluss der Mikrostruktur, wie zum Beispiel unterschiedliche Defektdichte, verschiedene Arten von Korngrenzen und Verteilung von Fremdatome, auf die Stabilität kann direkt untersucht und verglichen werden und somit zum Verständnis der Beziehung Mikrostruktur-Stabilität und der grundlegenden Mechanismen, welche die Stabilität kontrollieren, beitragen. Mit Hilfe bekannter thermodynamischer und kinetischer Modelle können die Mechanismen des Kornwachstums beschrieben werden. Augenmerk in diesem Projekt wird außerdem auf den Einfluss von Fremdatomen und Verunreinigungen auf die mechanischen Eigenschaften nanokristalliner Materialien gelegt. Ziel dieses Projektes ist es, das gewonnene Wissen über die optimale nanokristalline Struktur mit hoher thermischer Stabilität auch dafür anzuwenden, Strategien zu entwickeln, welche es ermöglichen, gleichzeitig die thermische und die mechanische Stabilität der Struktur zu verbessern. Zusätzlich soll die mögliche Bildung übersättigter Mischkristalle und die zugrundeliegenden Mechanismen, die Entmischung und dessen Einfluss auf die thermische Stabilität untersucht werden. Die Ergebnisse aus diesem Projekt können als Grundlage verwendet werden um die Stabilität nanokristalliner Materialien zu erhöhen und zukünftig stabile nanokristalline metallische Materialien zu entwickeln, was deren mögliche Anwendungsgebiete deutlich vergrößert.

Aufgrund der einzigartigen mechanischen und funktionalen Eigenschaften nanokristalliner Werkstoffe sind diese seit Jahrzenten ein Forschungsschwerpunkt in den Materialwissenschaften. Nanokristalline Werkstoffe sind jedoch aufgrund ihrer großen Korngrenzendichte thermisch instabil. Bereits bei Temperaturen nahe Raumtemperatur kann es zu einer erheblichen Vergröberung der Struktur kommen, was wiederum zu einem Verlust der einzigartigen Eigenschaften führt und mögliche technische Anwendungsgebiete einschränkt. Das Ziel des beantragten Projektes war es die Prozesse, die die thermische Stabilität von nanokristallinen Werkstoffen bestimmen, besser zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen wurden verschiedene nanokristalline Strukturen in einem nicht mischbaren Cu- Co ModellLegierungssystem mittels zweier unterschiedlicher Verfahren (Hochverformung und elektrolytischer Abscheidung) hergestellt. Neben der Herstellung waren weitere Schwerpunkte des Projektes die Charakterisierung der nanokristallinen Gefügestrukturen und die Untersuchung des Einfluss der Ausgangsstruktur auf die thermische Stabilität sowie die Bestimmung der funktionalen als auch mechanischen Eigenschaften. Mit der Methode der Hochverformung konnten nanokristalline übersättigte Cu-Co Mischkristalle mit unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt werden. Durch deren nachfolgende Entmischung während der Glühbehandlungen entstehen komplexe Gefügestrukturen. Diese Strukturen sind einem herkömmlichen Komposit-Werkstoff, der aus zwei oder mehr verschiedenen Bestandteilen aufgebaut ist, ähnlich. In den in diesem Projekt hergestellten Cu-Co Komposit-Werkstoffen haben die einzelnen Gefügebestandteile jedoch immer noch eine Größe im Nanometer- Bereich und besitzen darüber hinaus eine herausragende thermische Stabilität. Die Gefügestrukturder Nano-kompositekonnteaußerdemdurchverschiedene Glühbehandlungen gezielt eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die mechanischen und magnetischen Eigenschaften maßzuschneidern. Die Ergebnisse aus diesem Projekt können als Grundlage verwendet werden um zukünftig stabile nanokristalline Werkstoffe zu entwickeln, womit sich deren mögliche Anwendungsgebiete deutlich vergrößern. Der Erfolg des Projekts ist auch sichtbar in der großen Anzahl von Vorträgen (mehr als 20 davon 8 eingeladene) und bisherigen 8 Veröffentlichungen in internationalen Journalen.