Synthetische Nano-Verbundkeramiken - maßgeschneiderte Alternativmaterialien aus Hochdruck-Mineralphasen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Astrid Holzheid
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324039096

Neuste Technologien der Hochdrucktechnik erlauben es, nano-polykristalline Materialien, wie z.B. Keramiken, mit exzellenten mechanischen Eigenschaften (hohe Härte und Bruchzähigkeit) aus häufig vorkommenden Geomaterialien herzustellen. Die positive Korrelation zwischen abnehmender Korngröße und Zunahme der Härte bei vielen keramischen Verbindungen, Metallen und Diamant ist bekannt als die Hall-Petch-Beziehung. Aufgrund der Tatsache, dass nano-polykristalliner Stishovit (Stishovit ist eine Hochdruckmodifikation von SiO2), das härteste bekannte Oxid, eine etwa siebenmal höhere Bruchzähigkeit als Stishovit-Einkristall besitzt, gibt es Hinweise darauf, dass Korngrößenverkleinerung nicht nur die Härte, sondern auch die Bruchzähigkeit von Geomaterialien erhöhen kann. Somit kann davon ausgegangen werden, dass nano-polykristalline Geomaterialien potentiell geeignet sind, ökonomisch kritische metallische Rohstoffe, die vielfach zur Produktion von mechanisch besonders widerstandsfähigen Materialen benötigt werden, zu ersetzen. Nano-polykristalline Geomaterialien sind daher als besonders vielversprechende Materialien anzusehen, die mechanisch exzellente Eigenschaften, wie hohe Härte und hohe Bruchzähigkeit, miteinander vereinen, was bisher eine große materialwissenschaftliche Herausforderung darstellt. Ziel des beantragten Projektes ist es, unter Anwendung aktueller Hochdruck-Hochtemperatursyntheseverfahren strukturell kontrollierte nano-polykristalline Keramiken mit exzellenten mechanischen Eigenschaften aus weltmarktunabhängigen Geomaterialien herzustellen. Dabei sollen nano-polykristalline Aggregate aus Korund (Al2O3) und Stishovit (SiO2) mit unterschiedlichem molaren Verhältnis von Al2O3:SiO2 aus Al2O3-SiO2-Glas, sowie nano-polykristalline Aggregate aus Periklas (MgO) und Korund aus MgAl2O4-Glas und nano-polykristalline Aggregate aus Jadeit (NaAlSi2O6) und den SiO2-Hochdruckmodifikationen Stishovit bzw. Coesit aus NaAlSi3O8-Glas hergestellt werden. Eine weitere wichtige Zielsetzung des beantragten Projektes ist es, ein näheres Verständnis von Kristallisations- und Aggregatbildungsprozessen zu erlangen, die die mechanischen Eigenschaften von nano-polykristallinen Materialien positiv beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Norimasa Nishiyama