Viscous Fingering für Kristallwachstum mit Chemischer und Struktureller Unordnung

• Antragsteller: Dr. Wolfgang Wisniewski
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562044725

Die Eigenschaften fester Materialien werden durch ihre Mikrostruktur bestimmt, z.B. dem Auftreten von amorphen oder kristallinen Phasen und/oder der Elementverteilung auf der mikro- oder nanometer Skala. Einphasige Materialien bestehen entweder aus einem homogenen Glas oder Kristallen die über einen von fünf Wachstumsmechanismen entstehen, was zu verschiedenen Mikrostrukturen von nm-kleinen Körnern bis zu makroskopischen Einkristallen führt. Unter diesen Mechanismen ist "Viscous Fingering" (VF) von flüssig-flüssig-Interaktionen her gut bekannt. VF ist zudem auch jener Mechanismus, der in bestimmten Sr-Fresnoit und Sr-Alumosilikat Glaskeramiken zu einer einzigartigen Mikrostruktur mit struktureller und chemischer Unordnung führt. Diese selten beobachtete Mikrostruktur weist ein Kristallgitter mit Orientierungen auf, die sich beständig mit einigen grad Abweichung um eine übergeordnete Vorzugsorientierung ändern. Zu den Zielen dieses Projektes gehört es, die bisher unbekannten Bedingungen zu bestimmen, die VF in Sr-Fresnoit und Sr-Alumosilikat Glaskeramiken, und möglicherweise auch in Phosphatglaskeramiken, verursachen. Ein weiteres Ziel ist es, die mechanistischen Ursachen der Bildung dieser besonderen Mikrostruktur aufzuklären, und damit die Grundlagen für die Nutzung von VF zur Erzeugung fester Materialien mit neuen Eigenschaften zu legen. In diesem Projekt wird speziell der Einfluss von VF auf das (mikro-)mechanische Verhalten der normalerweise spröden Materialien ermittelt. Da wichtige Bestandteile der Mikrostruktur nanoskalig sind, werden hochauflösende Methoden, hier der Transmissionselektronen-mikroskopie, benötigt. Diese werden mit integralen Methoden zur Bestimmung von Gitterparametern, Elementkoordination und chemischen Bindungen wie XRD, Si-MAS-NMR- und Raman Spektroskopie kombiniert. Die gewonnenen Informationen werden genutzt um die chemische und strukturelle Unordnung mit mechanischen Eigenschaften wie der Rissausbreitung zu verknüpfen, die in-situ über Indentation im REM sowie über klassische Biegebruchversuche ermittelt werden. Die beständigen Orientierungsänderungen in diesen kristallographisch texturierten Materialien lassen eine erhöhte Bruchzähigkeit erwarten ohne anisotrope Eigenschaften zu verändern, die z.B. auf eine erwartete Hauptlastrichtung ausgerichtet werden können. Die Nutzung von Materialien mit der einzigartigen VF-Mikrostruktur hat damit großes Potential den Materialeinsatz für spezifische (lasttragende) Anwendungen zu minimieren, womit auch ein verminderter Rohstoffeinsatz und geringere Energieaufwendungen verbunden sind. Weiterhin können auch optische Eigenschaften beeinflusst werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen