SPD nanostrukturierte, massive Metalle: Teil A

"Severe Plastic Deformation - SPD" ist eine neue Methode, die es erlaubt, ultrafeinkörnige bis nanokristalline Materialien auch in massiver Form, mit 100% Dichte und nur minimalen Verunreinigungen herzustellen. Diese Materialien zeigen ausserdem - im Vergleich zu den mit herkömmlichen Synthesen hergestellten - zusätzliche besondere Eigenschaften auf, nämlich eine trotz hoher Festigkeit gute Verformbarkeit, eine erhöhte Eindringgeschwindigkeit von Fremdatomen sowie die Bildung neuer Phasen fern vom thermodynamischen Gleichgewicht. Das gegenständliche Projekt setzte sich zum Ziel, die Genese gerade dieser Eigenschaften zu klären und bediente sich dabei besonderer Methoden der Charakterisierung von Nanomaterialien. Diese kann auch während der verformungsinduzierten Entwicklung der Nanostruktur angewandt werden ("in-situ") und erlaubt somit die Identifikation von für die besonderen Eigenschaften relevanten, auf atomarer Ebene ablaufenden Prozesse. Neben der Hochauflösungs-Elektronenmikroskopie sind das vor allem die Röntgenlinienprofilanalyse im Zusammenwirken mit hochintensiver Synchrotron-Strahlung, sowie spezielle Methoden zum Nachweis punktförmiger Gitterdefekte. Die Projektuntersuchungen ergaben, dass für alle drei genannten Eigenschaften die Dichte und Verteilung verformungsinduzierten Gitterdefekte, insbesondere die der Leerstellen, von grosser Bedeutung sind; diese Defekte sind in SPD hergestellten Nanomaterialien nicht zuletzt aufgrund des bei der Herstellung herrschenden erhöhten hydrostatischen Druckes in hoher Zahl präsent. Dies gilt auch für die linienhaften Gitterfehler ("Versetzungen"), deren Speicherpotential im Material für die durch SPD zu erreichende Strukturverfeinerung entscheidend ist, was durch detaillierte Modellrechnungen bestätigt wurde. Ein anderer Schwerpunkt des Projekts befasste sich mit der thermischen Stabilität dieser neuen Materialien, welche für mehrere mögliche Anwendungen in der automotiven Industrie (erhöhte Festigkeit/Duktilität der Karosserie, schnelle Feststoffspeicherung von Wasserstoff) und im medizinischen Bereich (erhöhte Wechselfestigkeit und Formgedächtniseffekte für Prothesen, Implantate und Stents) wichtig ist. Die Arbeiten ergaben, dass die Stabilität der Nanomaterialien durch Art und Ausmaß der Zulegierungen gezielt beeinflusst werden kann, indem sich die Legierungsatome an die verformungsinduzierten Gitterdefekte und Korngrenzen (oder umgekehrt) anlagern und letztere gegen thermische Belastungen resistent machen. Das Projekt wurde an der Universität Wien in enger Kooperation mit der Gruppe von Reinhard Pippan am Erich Schmid Institut (ESI) für Materialwissenschaft der Österr. Akademie der Wissenschaften in Leoben durchgeführt (Bündelprojekt). Dies war für den Erfolg dieses Projekts entscheidend. Sowohl die ausschliesslich am ESI durchgeführten SPD Verformungen als auch zahlreiche Untersuchungen am SEM mit EBSP stellten für unsere Projektaufgaben unverzichtbare Voraussetzungen dar. Andererseits konnte das Wiener Team mit seinen auf die Analyse von Nanostrukturen und Kristalldefekten spezialisierten Charakterisierungsmethoden einiges zu den im Leobener Projekt verfolgten Forschungen beitragen. Zusätzlich zu den experimentell bedingten, gegenseitigen Laborbesuchen wurden in halbjährlichen Intervallen gemeinsame Workshops jeweils mit Vorträgen aus beiden Teams und zahlreichen Diskussionen veranstaltet. Die Ergebnisse und der Erfolg des Bündelprojekts stellten auch einen ausgezeichneter Ausgangspunkt für das jüngst vom FWF bewilligte nationale Forschungsnetzwerk "High Performance Bulk Nanocrystalline Materials" dar, in dem die beiden Gruppen federführend mitwirken. Die Kürzung der Finanzmittel von 3 auf 2 Jahre aufgrund der finanziellen Probleme des FWF Anfang 2004 konnte dank der Umschichtung auf Diplomarbeiten, Ersatzfinanzierungen der Universität Wien für die fehlenden Geräte, sowie aufgrund von Synergieeffekten mit einem thematisch verwandten Doktoratskolleg der Universität Wien weitgehend kompensiert werden. Am besten lässt sich der Erfolg des Projekts an der großen Zahl der Veröffentlichungen und Vorträge messen: 57 akzeptierte Veröffentlichungen in referierten Fachzeitschriften, weitere 3 in Vorbereitung (davon 24 von projektfinanzierten Mitarbeitern) 11 nicht referierte Tagungsbeiträge (5 von projektfinanzierten Mitarbeitern) 50 eingeladene Vorträge, davon 31 bei internationalen Tagungen und 19 bei Forschungsinstitutionen oder Universitäten. 50 Beiträge bei internationalen Konferenzen und eine Goldmedaille für eine "best poster" Präsentation