Mikromechanisches Ultrahochtemperaturverhalten nanostrukturierter Oxiden- Experimente und virtuelles multiskaliges Materialdesign

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Giovanni Bruno; Professor Dr. Volker Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431178689

Ziel des akademischen Forschungsprojekts HoTMiX ist es, ein tiefes Verständnis der Zusammenhänge zwischen dem nichtlinearen mechanischen Verhalten von Oxidmaterialien bei sehr hohen Temperaturen und ihrer Mikrostruktur im Nanobereich zu vermitteln. Während der Ausarbeitung oder der Operando-Bedingungen führen Festkörper-Phasenübergänge (SPTs), die mit hochanisotropem elastischem Verhalten und thermischer Ausdehnung verbunden sind, zu einem komplexen mechanischen Verhalten, das noch untersucht (und schließlich geschneidert) werden muss. Die Relaxation der thermischen Spannungen durch SPTs führt zur Bildung von Mikrostrukturen, die in der Regel Längenskalen beinhalten, die mindestens drei Größenordnungen vom Kristall bis zur Korngröße umfassen. Tatsächlich haben kohärent beugende Domänen eine typische Größe von wenigen zehn Nanometern und sind Teil größerer kristalliner Bereiche von meist einigen zehn Mikrometern. Ein auffälliges Merkmal dieser Oxidmaterialien liegt in der großen (drei Größenordnungen) Differenz zwischen den lokalen Spannungen innerhalb kohärenter Bereiche (nm-Skala), die im GPa-Bereich liegen, und der Zugfestigkeit des Volumens (d.h. cm-Skala), die in der Regel nur wenige Dutzend MPa beträgt. Darüber hinaus reicht der Temperaturbereich, in dem relevante Phänomene (Spannungsaufbau, Mikrorisse und SPTs) auftreten, von Raumtemperatur bis 2000 °C und deckt damit drei Größenordnungen ab. Daher erfordert die allgemeine Frage, die wir antworten wollen, eine Multiskalenanalyse entlang der drei Hauptachsen: Temperatur, Spannung, Größe. Durch die Kombination von Plastizität im mikrostrukturellen Maßstab mit unkonventionellem elastischem Verhalten, bezogen auf Größeneffekte, zeigen einige intrinsisch spröde Oxidmaterialien eine unerwartet hohe Nachgiebigkeit. Obwohl dies im Mikrobereich beobachtet wird, liegt der Ursprung im Nanobereich. Das Verständnis dieses mechanischen Verhaltens auf der Nanoskala ist das zentrale Ziel des HoTMiX-Projekts. Mit verschiedenen röntgenbasierten fortgeschrittene Techniken (Streuung, Beugung, Brechung, Tomographie) an Synchrotronstrahlungslinien bestimmen wir die Mikrostrukturentwicklung (in situ bei sehr hohen Temperaturen und/oder unter angewandten Spannungen) dieser "lebenden Oxidmaterialien". Dies sind die wichtigsten experimentellen Herausforderungen, die wir im HoTMiX-Projekt angehen werden. Der Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften wird untersucht, indem quantitative experimentelle Messungen in situ bei sehr hohen Temperaturen und/oder unter externen Spannungen mit präzisen mikrostrukturellen Modellierungen kombiniert werden, die auf virtuellen, aber realistischen Mikrostrukturen beruhen, welche der Änderung von Temperatur und externen Spannungen ausgesetzt sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Nathalie Boudet; Professor Olivier Castelnau; Professor René Guinebretiere; Dr. Jean-Sébastien Micha