Herstellung ultrafeinkörniger Ni-CNT Verbundwerkstoffe mittels Hochverfomung

Fast alle verwendeten metallischen Werkstoffe sind kristallin und bestehen aus dicht gepackten Kristalliten, die man auch als Körner bezeichnet. Über übliche Herstellverfahren wie Gießen, Schmieden oder Walzen bei hohen Temperaturen oder durch Sintern von Pulver werden Werkstoffe hergestellt, deren Körner wenige bis einige hundert Mikrometer groß sind. Für viele Anwendungen wäre es besser, wenn man Werkstoffe mit kleineren Korngrößen herstellen könnte, da zum Beispiel die mechanische Festigkeit von Metallen mit abnehmender Korngröße zunimmt. Besonders stark ausgeprägt ist dies bei Korngrößen unterhalb eines Mikrometers. Solche Werkstoffe nennt man ultrafeinkörnig. Die Hochverformung (Severe plastic deformation, SPD) stellt eine neue und sehr einfache Methode zur Herstellung dieser ultrafeinkörnigen Werkstoffe dar. Bei dieser Methode werden massive metallische Werkstoffe, ohne dass sich deren ursprüngliche Form ändert, sehr stark plastisch verformt. Hochverformte Metalle erreichen dabei sehr schnell Korngrößen weit unter einem Mikrometer. Leider besitzen hochverformte, ultrafeinkörnige Werkstoffe aber einen entscheidenden Nachteil: aufgrund ihrer großen Korngrenzendichte sind sie thermisch instabil. Bereits bei Temperaturen nahe Raumtemperatur kann es zu einer erheblichem Vergröberung der Struktur kommen, das heißt die Körner im metallischen Werkstoff werden wieder einige wenige bis einige hundert Mikrometer groß. Dies führt zu einem Verlust der herausragenden Eigenschaften, die durch die Korngröße bestimmt werden. Um das Potential ultrafeinkörniger Werkstoffe nützen zu können, bedarf es vor allem einer Erhöhung der thermischen Stabilität, die definitiv auch eine Grundvoraussetzung für den Einsatz dieser Materialien in naher Zukunft ist. Ziel dieses Projektes ist es, neue hochdrucktorsionsverformte Verbundwerkstoffe herzustellen, bei denen das Problem der strukturellen Instabilität überwunden werden kann. Kohlenstoffnanoröhrchen (auch genannt Carbon Nanotubes - CNTs), welche feinverteilt als Verstärkungsphase in einer metallischen Matrix aus Nickel beigefügt werden, sollen die durch Hochverformung eingestellte ultrafeinkörnige Mikrostruktur gegen Kornwachstum stabilisieren. Aufgrund der einzigartigen intrinsischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen wird zudem erwartet, dass auch die mechanischen und tribologischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes verbessert werden können. Dies soll durch eine umfassende Charakterisierung der Mikrostruktur in Kombination mit einer ausführlichen Untersuchung des Einflusses der Kohlenstoffnanoröhrchen auf die mechanischen und tribologischen Eigenschaften wie auch auf die thermische Stabilität der Nickel-CNT Verbundwerkstoffe erreicht werden. Ziel dieses Projektes ist es, das gewonnene Wissen über die optimale Herstellbedingungen und Eigenschaften der Nickel-CNT Verbundwerkstoffe auch dafür anzuwenden, Verbundwerkstoffe mit anderen metallischen Matrizen und anderen Verstärkungsphasen herzustellen. Daher können die Ergebnisse aus diesem Projekt auch als Grundlage verwendet werden um zukünftig stabile metallische, ultrafeinkörnige Verbundwerkstoffe mit herausragenden mechanischen und tribologischen Eigenschaften zu entwickeln und deren mögliche Anwendungsgebiete zu evaluieren.

Nanokristalline (<100 nm) und ultrafeinkörnige (<1 m) Materialien sind seit Jahrzenten Gegenstand umfangreicher Forschungen, da sie über einzigartige mechanische und funktionale Eigenschaften verfügen. Eine Vielzahl an Methoden zur Herstellung solcher Materialien steht bereits zur Verfügung, jedoch ist eine der effizientesten Methoden die Hochverformung. Die Hochverformung kann nicht nur dazu verwendet werden um ultrafeinkörnige oder auch nanokristalline Materialien herzustellen, sondern auch die Palette an herstellbaren Nanostrukturen wurde kontinuierlich erweitert. Ein innovativer Ansatz nutzt die Methode der Hochverformung um Verbundwerkstoffe herzustellen. Ziel dieses Projektes war es, neue hochdrucktorsionsverformte Verbundwerkstoffe herzustellen. Dazu wurden auf Kohlenstoff basierende Verstärkungsphasen, Kohlenstoffnanoröhrchen (auch genannt 'Carbon Nanotubes' - CNTs) und Nanodiamanten, einer metallischen Matrix aus Nickel und Silber beigefügt. Das Projekt behandelte verschiedene Aspekte, welche von der Untersuchung der Entwicklung der Mikrostruktur der metallischen Matrix, der Verteilung und Homogenisierung der Verstärkungsphase, dem strukturellen Zustand der Verstärkungsphase, bis zu Studien der thermischen Stabilität und der mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe reichte. Der Hochverformungs-Prozess konnte optimiert werden, dass eine homogene Verteilung der Kohlenstoffnanoröhrchen in der metallischen Matrix erreicht wurde. Die Korngröße der Matrix und der Anteil an Verstärkungsphase beeinflussten die Härte und die Festigkeit der Verbundwerkstoffe. Zum Beispiel konnte durch die Zugabe von 5 Gewichts-% bzw. 15 Volums-% Nanodiamanten in Silber Verbundwerkstoffen eine Härtesteigerung von 70% und eine Festigkeitssteigerung um 60% im Vergleich zu reinem hochverformten Silber erreicht werden. Die erreichten Werte sind zudem 5x höher als in konventionellem Silber. Der Anteil an Verstärkungsphase beeinflusste außerdem die Duktilität und die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die thermische Stabilität durch die Zugabe von Nanodiamanten erheblich gesteigert werden konnte. Selbst nach Glühungen bei sehr hohen Temperaturen (>70% der Schmelztemperatur des Metals) konnte eine stabile Korngröße unter 100 nm erhalten werden. Die Hochverformung kann jedoch nicht uneingeschränkt angewandt werden, da strukturelle Defekte in der Verstärkungsphase nach einem gewissen Grad der Verformung eintraten. Dies beeinflusste auch die tribologischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe. Die Ergebnisse aus diesem Projekt können als Grundlage verwendet werden um zukünftig stabile nanokristalline kohlenstoffverstärkte Verbundwerkstoffe, basierend auf verschiedenen metallischen Matrixmaterialien, zu entwickeln, womit sich deren mögliche Anwendungsgebiete deutlich vergrößern. Der Erfolg des Projekts ist auch sichtbar in der großen Anzahl von Vorträgen (19 davon 4 eingeladene) und bisherigen 11 Veröffentlichungen in internationalen Journalen.