Einfluss elektrischer Felder auf das Kornwachstum in Strontiumtitanat

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Gumbsch, seit 10/2016; 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 von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319423042

In den letzten 10 Jahren wurde erheblicher Forschungsaufwand getrieben, um den Einfluss elektrischer Felder auf das Sintern keramischer Materialien zu erforschen (FAST/SPS und flash sintering). Elektrische Felder können den Sinterprozess deutlich beschleunigen. Allerdings sind die zugrundeliegenden Mechanismen nach wie vor nicht vollständig verstanden. Es ist nicht einfach, die Grundlagen des feldunterstützen Sinterns zu erforschen, weil die nötigen Experimente schwer zu kontrollieren sind. Die hohen elektrischen Ströme führen zu einer drastischen und undefinierten Aufheizung des Materials und das Sintern selbst läuft nur in wenigen Sekunden ab, entsprechend komplex sind die Transportvorgänge. Um möglichst viele Freiheitsgrade aus dem System zu entfernen und eine definierte Basis für Grundlagenforschung an den aktiven Mechanismen zu schaffen, empfiehlt sich die Betrachtung von feldunterstütztem Kornwachstum. In einer Reihe von Vorversuchen haben wir eine Modellgeometrie zur Untersuchung des feldunterstützten Kornwachstums in Strontiumtitanat eingeführt. In diesen Experimenten haben wir isolierende Platten aus Aluminiumoxid an den Elektroden angebracht, welche den Stromfluss und damit eine unkontrollierte Erhitzung des Materials verhindern. In diesen Versuchen wurde ein Gradient der Korngröße in der Probe gefunden: An der negativen Elektrode wird das Kornwachstum durch das elektrische Feld deutlich beschleunigt.Unsere Vorversuche haben uns zu der Arbeitshypothese geführt, dass die Beschleunigung des Kornwachstums durch eine feldinduzierte Umverteilung der Defekte (insbesondere Sauerstoffleerstellen und Strontiumleerstellen) ausgelöst wird. Dabei wandern positiv geladene Defekte zur negativen Elektrode und negativ geladene Defekte zur positiven Elektrode. Ein Vergleich der erwarteten lokalen Defektkonzentrationen mit dem bereits bekannten defektabhängigen Kornwachstum von Strontiumtitanat unterstützt diese Hypothese.Wir möchten diese Hypothese auf unterschiedlichen Längenskalen überprüfen. Mittels atomistischer Theorie werden wir die Defektstrukturen und Potentiale von Korngrenzen berechnen. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wird die Stöchiometrie der Korngrenze betrachtet. Thermodynamische und kinetische Ansätze liefern die Kinetik der Defektdiffusion, erwartete Defektverteilungen und Raumladungszonen. Makroskopische Experimente liefern einerseits Proben für die Elektronenmikroskopie und andererseits die Korrelation zwischen Defektkonzentration und Kornwachstum in elektrischen Feldern. Grundlage sind sowohl spezielle Korngrenzen (Bikristalle) als auch ein Modellexperiment mit generellen Korngrenzen (seeded polycrystal technique).

• 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: Israel, USA
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Rheinheimer
• Kooperationspartner: Professor Dr. Klaus van Benthem; Professor Dr. Wayne Kaplan
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Matous Mrovec, bis 9/2016