Elastizität offener Systeme: Experimentelle Überprüfung der Larché-Cahn Theorie und Anwendung in Funktionsmaterialien mit schaltbarer Steifigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Weißmüller
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426448276

Viele Materialphänomene werden entscheidend durch die Wechselwirkung zwischen Chemie und Mechanik bestimmt. Die allgemeingültige Formulierung einer Theorie für diese Wechselwirkung geht auf eine bahnbrechende Arbeit zur Elastizität offener Systeme von Francis Larché und John W Cahn in den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts zurück. Eine zentrale Schlussfolgerung der Theorie ist, dass das gekoppelte chemo-elastische Gleichgewicht im Grenzfall kleiner Dehnung auf ein klassisches Problem der Kontinuumsmechanik zurückgeführt werden kann, wenn im Hookeschen Gesetz die klassischen elastischen Konstanten für feste Zusammensetzung durch neue elastische Parameter offener Systeme ersetzt werden. Diese Parameter enthalten die Information über die Wechselwirkung zwischen der chemischen Zusammensetzung und der mechanischen Spannung im thermodynamischen Gleichgewicht bei konstantem chemischem Potenzial. Die Larché-Cahn Theorie ist explizit oder implizit Bestandteil vieler moderner Modellierungsansätze in der Materialwissenschaft; in der Literatur findet sich jedoch keine direkte experimentelle Überprüfung, und insbesondere sind die Vorhersagen der Theorie für die elastischen Parameter offener Systeme bislang nicht im Experiment überprüft. Diese Parameter können jedoch hoch interessant sein, da sie - der Theorie zufolge - stark von denjenigen bei konstanter Konzentration abweichen können, da sie hochgradig nichtlinearer in Dehnung und Konzentration sind, und da ihre Zahlenwerte zudem an kritischen Punkten der Mischungslücke im Legierungsphasendiagramm divergieren können. Vor diesem Hintergrund verfolgt das vorliegende Forschungsprogramm die beiden folgenden Ziele: Erstens soll die Theorie von Larché und Cahn durch erstmalige experimentelle Bestimmung der elastischen Parameter offener Systeme als Funktion der Zusammensetzung einer Modelllegierung mit Zwischengitter-Fremdatomen und Vergleich mit den Vorhersagen verifiziert werden. Zweitens soll ein Materialdesign demonstriert werden, das auf den Befunden der Theorie beruht und es erstmals erlaubt, bei laufendem Betrieb über elektrische Signale die elastische Steifigkeit eines Metalls in weiten Bereichen zu schalten. Im Idealfall soll es dabei auch möglich sein, die Steifigkeit weitgehend Richtung Null zu schalten.Als origineller Ansatz soll als Modellmaterial nanoporöses Palladium eingesetzt werden, bei dem eine externe Last Biegemomente auf die nanoskaligen Streben ausübt und sich eingebauter Wasserstoff bei zyklischer Belastung innerhalb von Millisekunden zwischen der Zug-und der Druckfaser der Streben umverteilt. Dynamisch mechanische Analyse dient zur Messung des Elastizitätsmoduls, elektrochemische Potenzialkontrolle zur schnellen, präzisen und reversiblen Steuerung des Wasserstoffgehalt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen