Mechanische Eigenschaften strahlengeschädigter Geomaterialien

• Antragsteller: Dr. Tobias Beirau
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374360049

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Forschungsprojektes konnte ein tieferes Verständnis der durch Strahlenschäden induzierten kristallin-zu-amorph Umwandlung und der anschließenden thermisch induzierten Rekristallisation in Mineralen gewonnen werden. Mittels globaler und lokaler Sonden wie z.B. Nanoindentation, Raman und Mössbauer Spektroskopie, Kalorimetrie und Elektronenmikroskopie konnten intrinsische strukturelle Prozesse besser aufgelöst und verstanden werden. Hierzu zählt die erfolgreiche Beschreibung als Perkolationsproblem mit zwei Perkolationsschwellen, das Aufzeigen diskontinuierlicher Umwandlungseffekte (z.B. Avalanches) während der thermischen Behandlung, die Detektion das Verhaltes der mechanischen Eigenschaften (z.B. Young's Modul, Härte und Bruchzähigkeit) mit steigender struktureller Ordnung/Unordnung sowie des bedeutenden Einflusses von Grenzflächeneffekten. Ein katalytischer Einfluss von OH konnte in Zusammenhang mit dem Rekristallisationsverhalten aufgezeigt werden. Mittels mechanischer Modellierung konnten die experimentell gewonnen Daten verifiziert und ein geeignetes Modell zur Simulation der Reaktion der mechanischen Materialeigenschaften auf intrinsisch und extrinsische Bestrahlung erstellt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Locally preservedα → βphase transition in natural radiation-damaged titanite (CaTiSiO5): evidence from laser-induced photoluminescence and dielectric measurements. Journal of Physics: Condensed Matter, 30(3), 035403.
  Beirau, Tobias; Murawski, Dawid; Behrens, Harald; Salje, Ekhard K. H.; Groat, Lee A.; Kaden, Ronny; Pöllmann, Herbert & Bismayer, Ulrich
  
• Radiation-induced effects on the mechanical properties of natural ZrSiO4: double cascade-overlap damage accumulation. Physics and Chemistry of Minerals, 45(5), 435-442.
  Beirau, Tobias; Nix, William D.; Pöllmann, Herbert & Ewing, Rodney C.
  
• Radiation-damage-induced transitions in zircon: Percolation theory applied to hardness and elastic moduli as a function of density. Applied Physics Letters, 112(20).
  Beirau, Tobias; Nix, William D.; Ewing, Rodney C.; Pöllmann, Herbert & Salje, Ekhard K. H.
  
• Avalanches during recrystallization in radiation-damaged pyrochlore and allanite: Statistical similarity to phase transitions in functional materials. Applied Physics Letters, 115(23).
  Beirau, Tobias; Shelyug, Anna; Navrotsky, Alexandra; Pöllmann, Herbert & Salje, Ekhard K. H.
  
• Mechanical and structural properties of radiation-damaged allanite-(Ce) and the effects of thermal annealing. Physics and Chemistry of Minerals, 46(10), 921-933.
  Reissner, Claudia E.; Bismayer, Ulrich; Kern, Daniel; Reissner, Michael; Park, Sulgiye; Zhang, Jiaming; Ewing, Rodney C.; Shelyug, Anna; Navrotsky, Alexandra; Paulmann, Carsten; Škoda, Radek; Groat, Lee A.; Pöllmann, Herbert & Beirau, Tobias
  
• Radiation-damage in multi-layered zircon: Mechanical properties. Applied Physics Letters, 115(8).
  Beirau, Tobias; Oliver, Warren C.; Reissner, Claudia E.; Nix, William D.; Pöllmann, Herbert & Ewing, Rodney C.
  
• Iron sites in radiation-damaged allanite-(Ce): the effects of thermally induced oxidation and structural reorganization. Hyperfine Interactions, 241(1).
  Reissner, Claudia Eva; Reissner, Michael; Kern, Daniel; Pöllmann, Herbert & Beirau, Tobias
  
• Mechanical and structural response of radiation-damaged pyrochlore to thermal annealing. Materialia, 14, 100950.
  Reissner, Claudia E.; Roddatis, Vladimir; Bismayer, Ulrich; Schreiber, Anja; Pöllmann, Herbert & Beirau, Tobias
  
• Mechanical properties of zircon for varying degree ofamorphization predicted by finite element simulations. TUHH Universitätsbibliothek.
  Huber, N. & Beirau, T.
  
• Fracture toughness of radiation-damaged zircon studied by nanoindentation pillar-splitting. Applied Physics Letters, 119(23).
  Beirau, Tobias; Rossi, Edoardo; Sebastiani, Marco; Oliver, Warren C.; Pöllmann, Herbert & Ewing, Rodney C.
  
• Modelling the effect of intrinsic radiation damage on mechanical properties: The crystalline-to-amorphous transition in zircon. Scripta Materialia, 197, 113789.
  Huber, Norbert & Beirau, Tobias
  
• Percolation transitions in pyrochlore: Radiation-damage and thermally induced structural reorganization. Applied Physics Letters, 119(13).
  Beirau, Tobias & Huber, Norbert
  
• A modeling approach to predict the mechanical response of materials to irradiation damage from external sources: Nanoindentation of Pb-implanted ZrSiO4. Materialia, 24, 101506.
  Huber, Norbert & Beirau, Tobias
  
• High-temperature resonant ultrasound spectroscopy of highly radiation-damaged pyrochlore: Structural reorganization and high acoustic loss. Applied Physics Letters, 120(23).
  Beirau, Tobias & Carpenter, Michael A.
  
• Partially disordered pyrochlore: time-temperature dependence of recrystallization and dehydration. Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials, 237(8-9), 287-291.
  Beirau, Tobias; Reissner, Claudia E.; Pöllmann, Herbert & Bismayer, Ulrich
  
• Probing structural disorder in zircon by electron backscatter diffraction (EBSD): Radiation damage and Kikuchi pattern. Journal of Nuclear Materials, 581, 154440.
  Beirau, Tobias; Kilian, Rüdiger; Stipp, Michael & Ewing, Rodney C.