Einfluß elektrischer Felder auf die Gefügeentwicklung von Funktionskeramiken

• Antragsteller: Professor Roger De Souza, Ph.D.; Professor Dr. Christian Elsässer; Professor Dr. Michael J. Hoffmann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436250027

Das Sintern im elektrischen Feld ist ein neues und vielversprechendes Feld der Materialwissenschaft. Es führte zur Entdeckung des Flash-Sinterns, das sich als vielseitige Technik zur Pulververdichtung erweist. Da beim feldunterstützten Sintern jedoch viele Prozesse aktiv sind, ist der spezifische Einfluss des elektrischen Feldes nur schwer zu isolieren. In der ersten Phase des Schwerpunktprogramms haben wir die Herkunft von Mikrostrukturgradienten während der Mikrostrukturentwicklung in elektrischen Feldern für Strontiumtitanat (STO) untersucht. Wir haben unseren Schwerpunkt auf Flash-Sintern, feldunterstütztem Kornwachstum sowie atomistischer Modellierung und Simulation von Defektbildungsenergien und Migrationsbarrieren von Punktdefekten gelegt. Das Kornwachstum in STO wurde durch die Analyse der Mikrostrukturentwicklung von geimpften Polykristallen bei verschiedenen Temperaturen, Haltezeiten und elektrischen Feldstärken untersucht. Wir identifizierten eine Veränderung der Raumladung durch eine Elektromigration von Sauerstoffleerstellen als Mechanismus für die Bildung von mikrostrukturellen Gradienten. Es wurde ein Modell vorgestellt, das darauf hindeutet, dass eine Umverteilung der Sauerstoffleerstellen an der negativen Elektrode eine Abnahme des elektrostatischen Potenzials und des "intrinsic drags" an einer beweglichen Korngrenze (GB) bewirkt und damit das Kornwachstum lokal beschleunigt. Diese Ergebnisse werden durch TEM-Beobachtungen und die thermo-dynamische Modellierung von Raumladungsschichten unterstrichen. Mit Hilfe klassischer atomistischer Berechnungen wurde ein Programmiergerüst für die Bildung und Migration von Punktdefekten an Korngrenzen erstellt.Die Ergebnisse haben zu detaillierten Erkenntnissen über die Abhängigkeit der Mikrostruktur-entwicklung von der Defektchemie auch über das feldunterstützte Sintern und Kornwachstum hinaus geführt. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Manipulation von Materie durch elektrische Felder bei.Auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse liegt der Schwerpunkt des zweiten Zeitraums experimentell auf der Veränderung sowohl der Defektchemie und der Defektmigrationskinetik von Strontiumtitanat und anderen perovskitischen Materialien mittels Dotierung, Änderungen der Prozessatmosphäre und durch die Anwendung elektrischer Wechselfelder. Der theoretische Teil konzentriert sich auf den Aufbau eines effizienteren Arbeitsablaufes zur Vorhersage makroskopischer Diffusionskonstanten für die relevanten Defektspezies auf Basis von Mastergleichungen und auf die Implementierung der elektrischen Feldeffekte, direkt (Migrations- und Leerstellenbildungsenergien) und indirekt (feldgetriebene Konfigurationsänderungen der Korngrenzen).

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1959: Manipulation of matter controlled by electric and magnetic fields: Towards novel synthesis and processing routes of inorganic materials
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Rheinheimer