Thermodynamik und Kinetik von Ni/Al und Ru/Al Morphologien

• Antragstellerin: Professorin Isabella Gallino, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426208833

Ziel dieses Projektes ist es, offene Fragen zum Einfluss der Morphologie auf die Reaktionsthermodynamik und Kinetik morphologisch gestalteter reaktiver Ni/Al-Mehrschichtmaterialien zu beantworten. Als Ergebnis der Zusammenarbeit mit den Konsortialpartnern war es im Vorgängerprojekt erstmals möglich, kalorimetrische Untersuchungen von Multischichten mit unterschiedlichen komplexen Geometrien durchzuführen und den Wärmefluss während der Zündung nach einem Temperaturschock zu messen. Zum ersten Mal wurde die Aktivierungsenergie der Reaktion mit Hilfe von fünf Größenordnungen von Heizgeschwindigkeiten von 0,1 K/s bis zu 10000 K/s detektiert. Möglich wurde dies durch die Kombination der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) mit der neuartigen Flash DSC-Technik (FDSC). Eine neuartige Methodik zur Messung freistehender Mehrschichtschichtschichten wurde entwickelt und unter anderem auf (1) planare nanoskalige Ni/Al-Multischichten mit unterschiedlichen Doppelschichtperiodizitäten und Zusammensetzungen, (2) die Synthese einer B2-strukturierten Legierungsschicht mit hoher Entropie unter Verwendung von Ni/Al-Multischichten als Wärmequelle, bei der die Zündung der Reaktion in situ in FDSC beobachtet wurde, (3) die Bildung von Nickelaluminiden aus Ni/Al-Mehrschichtproben, die durch Hochdrucktorsion gemischt wurden, wobei wir gezeigt haben, dass FDSC verwendet werden kann, um selektiv die Materialreaktivität an verschiedenen Stellen einer einzelnen Probe mit heterogener Mikrostruktur zu untersuchen. In all diesen Studien hat sich FDSC als leistungsfähiges Werkzeug erwiesen, das einen einfachen Zugang für kleine Proben in einem genau definierten Bereich einer Probe ermöglicht und die Lücke zwischen langsamen Heizraten der klassischen Kalorimetrie und den Blitzraten für Reaktionen nach der Zündung überbrückt. In diesem Projekt wird die neu entwickelte Methodik für FDSC genutzt, um die folgenden Ziele zu erreichen: (a) Charakterisierung der beobachteten Trennung der Zeitskala für die Interdiffusion, (b) Bestimmung des Einflusses komplexer 3D-Morphologien auf die Reaktionskinetik für eine feste Doppelschichtperiodizität und -zusammensetzung, (c) Bestimmung des Effekts der Zugabe B2-NiAl-Zwischenschichten zu Ni/Al-Multischichten auf den Reaktionsablauf und die Reaktionskinetik, (d) das gleiche wie oben, für Ru/Al-Multischichten, die mit B2-RuAl-Zwischenschichten versehen sind, und e) Erweiterung und Anwendung der FDSC-Kalibrierungsmethoden für thermische Verzögerung und Probenmasse für komplexe Morphologien freistehender Folien im Vergleich zu Mehrfachschichten, die direkt auf den Sensor gesputtert werden. Das Projekt plant kalorimetrische Untersuchungen von immer komplexeren Morphologien, einschließlich 3D-Morphologien und verschiedener komplexer Stapelsequenzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Heike Bartsch; Dr.-Ing. Lisa Belkacemi, Ph.D.; Professor Dr. Ralf Busch; Professor Dr.-Ing. Rainer Fechte-Heinen; Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich; Professorin Dr. Christine Pauli; Professor Dr. Peter Schaaf; Dr.-Ing. Michael Stüber