Mikromechanisches Ultrahochtemperaturverhalten nanostrukturierter Oxiden- Experimente und virtuelles multiskaliges Materialdesign
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Oxidverbindungen kristallisieren oft mit geringer Symmetrie, weisen anisotrope elastische Eigenschaften auf und unterliegen einer Reihe von Festkörperphasenumwandlungen (solid state phase transition, SPT) in Abhängigkeit von Temperatur und Druck. Daher lässt sich das globale thermomechanische Verhalten polykristalliner keramischer Werkstoffe im Allgemeinen nicht anhand der grundlegenden Eigenschaften der entsprechenden Kristalle vorhersagen. Solche globalen Eigenschaften hängen vielmehr mit nanoskaligen Merkmalen zusammen, die typischerweise unter 100 nm liegen, also unter der Korngröße der Keramik. Im Wesentlichen bestand das Ziel des HoTMiX-Projekts darin, grundlegende Erkenntnisse über das Zusammenspiel zwischen plastischen und elastischen Dehnungen bei sehr hohen Temperaturen auf dieser Nanoskala in oxidbasierten Materialien zu gewinnen. Die Rolle der Mikrorissbildung sollte sowohl für Keramiken mit hoher Anisotropie als auch für Keramiken, die einer SPT unterworfen sind, untersucht werden. Es wurden fortschrittliche Charakterisierungsmethoden (Synchrotron- Röntgenmikrotomographie, Refraktion, Diffraktion und Streuung) und 3D-Rechenmodelle eingesetzt. Diese Methoden wurden weiterentwickelt, um die Anwendung auf sehr hohe Temperaturen auszuweiten und die In-situ-Belastung mit hohen Temperaturen zu kombinieren. Aus der Sicht der Modellierung ermöglichte der Ansatz der „virtuellen Mikrostruktur" die Untersuchung von Materialien bei Temperaturen, die noch über denen der experimentellen Messungen lagen. Die deutschen Partner boten einzigartige Kompetenzbereiche an (Mikrostruktursimulationen von der UUlm, Röntgenrefraktion von der BAM). Umgekehrt bot das französische Konsortium Zugang zu experimentellen Großgeräten (ESRF) und Simulationswerkzeugen (z. B. Simulationen mit diskreten Elementen). Dank der häufigen Projekttreffen wurde ein reger wissenschaftlicher Austausch gefördert, der zu einem Technologietransfer zwischen den beiden Ländern und zum Aufbau einer langfristigen Zusammenarbeit. Die Aktivitäten der BAM konzentrierten sich zunächst auf die Entwicklung der In-situ-Öfen. Der Anton-Paar-Ofen an der BAM wurde erfolgreich in den BAMline- Refraktionsaufbau (BESSSY II des HZB) integriert, der sich für die Untersuchung von Metallen als ausreichend, für refraktäre Materialien jedoch als unzureichend erwies. Daher wurde eine Zusammenarbeit mit dem Synchrotron Elettra (Trieste, Italien) aufgebaut, um deren selbst entwickelten Induktionsofen (bis 1400°C) an die BAMline anzupassen. Diese Zusammenarbeit ermöglichte die Überwachung des Schließens und Öffnens von Mikrorissen als Funktion der Temperatur im Aluminiumtitanats (AT) in Zirkonoxid. Die von UUlm erzeugten virtuellen Zirkoniumdioxid-Mikrostrukturen ermöglichten es, den bei sehr hohen Temperaturen stattfindenden SPT von kubisch zu tetragonal zu modellieren, der experimentell kaum zu beobachten ist. In Kombination mit der mikromechanischen Analyse, die am PIMM durchgeführt wurde, konnten neue Einsichten in das Eigenspannungsfeld während dieses SPT gewonnen werden. Darüber hinaus wurden an der UUlm fortschrittliche computergestützte Methoden zur Charakterisierung von Materialien eingesetzt. So war es möglich, die für Laue- Mikrodiffraktionsmessungen notwendige Datenanalyse zu beschleunigen, das Subkornverhalten von reinem Aluminium während des Kriechens weiter zu ergründen und eine detaillierte statistische Beschreibung der Mikrostruktur des AT zu erstellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Synchrotron X-ray refraction detects microstructure and porosity evolution during in-situ heat treatments. Materials Science and Engineering: A, 838, 142732.
Serrano-Munoz, Itziar; Roveda, Ilaria; Kupsch, Andreas; Müller, Bernd R. & Bruno, Giovanni
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CNN-Based Laue Spot Morphology Predictor for Reliable Crystallographic Descriptor Estimation. Materials, 16(9), 3397.
Kirstein, Tom; Petrich, Lukas; Purushottam, Raj Purohit Ravi Raj Purohit; Micha, Jean-Sébastien & Schmidt, Volker
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Statistical Comparison of Substructures in Pure Aluminum Before and After Creep Deformation, Based on EBSD Image Data. Microscopy and Microanalysis, 29(6), 1889-1900.
Rieder, Philipp; Petrich, Lukas; Serrano-Munoz, Itziar; Fernández, Ricardo; Bruno, Giovanni & Schmidt, Volker
