Grenzflächen in Funktionskeramiken: Ein Weg zur Optimierung von Materialeigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Rheinheimer
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435025113

Grenzflächen spielen eine sehr zentrale Rolle in der Herstellung und der Mikrostrukturentwicklung keramischer Materialien. Darüber hinaus sind viele Materialeigenschaften von den Grenzflächen abhängig. Dies ist besonders für mechanische Eigenschaften offensichtlich: umfangreiche Grundlagenforschung an den klassischen Strukturkeramiken Siliciumnitrid und Aluminiumoxid haben den Einfluss dotierungsabhängiger amorpher Korngrenzphasen auf die Buchmechanik aufgezeigt. In Aluminiumoxid und vielen anderen Materialien wurde die Thermodynamik solcher Korngrenzphasen (‚Complexions‘) erforscht. Diesen Untersuchungen zufolge zeigen die amorphen Korngrenzfilme insgesamt ein phasenähnliches Verhalten, so dass die Ermittlung von ZTU-Diagrammen für Korngrenzen möglich wurde.Aber nicht nur mechanische Eigenschaften hängen von den internen Grenzflächen eines Materials ab. In leitfähigen Keramiken spielt die Leitfähigkeit der Grenzflächen ebenfalls eine kritische Rolle. In den meisten Fällen sind die internen Grenzflächen leitfähiger Keramiken geladen und weisen als Konsequenz eine Raumladungszone auf. Diese Raumladungszonen wirken wie Schottky-Barrieren auf den Ladungsträgertransport und führen dadurch zu einer schlechten Korngrenzleitfähigkeit. Entsprechende Probleme resultieren daraus für die Leistungsfähigkeit ionisch leitende Materialien wie z.B. Elektrolyte in Brennstoffzellen und in Festkörperbatterien.Grundlegende Zusammenhänge zwischen Thermodynamik, Defektchemie, Materialherstellung und -eigenschaften sind nur für wenige Modellsystem ausreichend bekannt (beispielsweise für Aluminium-, Zirconium- und Titanoxid und Strontiumtitanat). Für andere Materialien sind nur sehr wenige Informationen verfügbar. Dies ist insbesondere für viele wichtige Anwendungen der Fall.Das Ziel dieses Projektantrags ist, einerseits unsere Erkenntnisse im Bereich der Thermodynamik interner Grenzflächen auf komplexere Materialien auszuweiten. Andererseits besteht dringender Bedarf, die bestehende Modellierung für Grenzflächen so zu ergänzen, dass sowohl Korngrenzphasen als auch Raumladungszonen erfasst werden können. Ein Verständnis deren Interaktion ist erforderlich, um das Verhalten von Grenzflächen in funktionskeramischen Materialien zu verstehen und die Materialeigenschaften für einen jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Österreich, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jürgen Fleig; Professor R. Edwin García, Ph.D.