Mechanisches Verhalten von superkristallinen keramisch-organischen Nanokompositmaterialien

• Antragstellerin: Diletta Giuntini, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429317750

Das Ziel der hier beantragten Arbeit ist es, das mechanische Verhalten superkristalliner keramisch-organischer Bulk-Nanokompositmaterialien zu erforschen. Letztere bestehen aus anorganischen, üblicherweise kristallinen, Nanopartikeln, deren Oberfläche mit anorganischen Liganden funktionalisiert ist und die, analog zu atomaren Gittern, in periodischen Strukturen aufgebaut sind. Diese Materialien repräsentieren ein wachsendes Feld der Materialwissenschaft und des Nanoengineerings, welches Anwendungsgebiete in der Optoelektronik, Plasmonik und Sensorik sowie bei magnetischen Materialien, Batterie-Elektroden, Katalysatoren aufweist. Ihr Potential für strukturelle Anwendungen ist bislang jedoch wenig erforscht, obwohl für Keramik-basierte superkristalline Bulk-Materialien vermehrt vielversprechende mechanische Eigenschaften entdeckt werden.Eine effektive Methode zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften besteht in der Quervernetzung zwischen organischen Ketten, die in der Oberfläche der keramischen Nanopartikel verankert sind. Dies schränkt die Beweglichkeit der anorganischen Basiskomponenten untereinander ein und führt nicht nur zu hoher Festigkeit, Härte und Steifigkeit, sondern auch zu signifikanten Veränderungen des Deformationsverhaltens unter Belastung. Vorausgehende Untersuchungen weisen auf die simultanen Effekte von Materialverdichtung, einer Art plastischer Deformation und extrinsischer Verfestigungsmechanismen hin. Außerdem wurden Defekte beobachtet, die typischerweise in kristallinen Materialien vorkommen, wie zum Beispiel interstitielle Defekte, Stapelfehler, Versetzungen und Scherbänder.Der Zusammenhang zwischen dem mechanischen Verhalten und lokalen nanostrukturellen Deformationen ist bisher ungeklärt, und soll in dem vorliegenden Antrag als zentrale Fragestellung aufgegriffen werden. Dazu soll zunächst das Spannungs-Dehnungs- und Kriechverhalten superkristalliner Materialien mit unterschiedlichen Graden an Quervernetzung der organischen Liganden bestimmt werden. Gleichzeitig werden die durch die Materialverarbeitung und -belastung erzeugten Defekte und Deformationen charakterisiert. Die ausgewählten Methoden beinhalten Nanoindentation mit verschiedenen Spitzen zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens der superkristallinen Materialien, sowie Atomkraftmikroskopie und Elektronenmikroskopie zur Abbildung von Fehlstellen wie Punktdefekten, Versetzungen und inter-superkristalliner Korngrenzen. Indem die klassischen Theorien zur Aktivierung von Gleitsystemen, Dehnungs- und Spannungsfeldern um Liniendefekte und Versetzungsgleiten angewandt und adaptiert werden, wird versucht die kontinuumsmechanisch ausgewerteten experimentellen Ergebnisse zu erklären. Abschließend soll der Zusammenhang zwischen Materialherstellung und -verarbeitung sowie superkristalliner Struktur und mechanischen Eigenschaften abgeleitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande