Design von strahlungsbeständigem nanoporösen Wolfram

Wolfram(W)ist wegenseiner ausgezeichneten Eigenschaftenein wesentlicher Strukturwerkstoff für Fusionsanwendungen.Aufgrundder außergewöhnlich hohen Umgebungsbelastungen in neu entwickelten Fusionskraftwerken zeigen aber selbst diese Werkstoffe markante Veränderungen der Mikrostruktur sowie eine deutliche Degradation der mechanischen Kennwerte. Diese Bestrahlungsresistenz eines Werkstoffes kann aber durch einen hohen Anteil an Grenzflächen oder freien Oberflächen positiv beeinflusst werden. Daher ist es Ziel dieses Projektes, strahlungsbeständige Materialien auf Basis von nanoporösem W herzustellen. Aufgrund ihrer hohen Anteile an Ober- und Grenzflächen sollte Bestrahlung, ganz im Gegensatz zu konventionellen Materialien, kaum Auswirkung auf die strukturellen und mechanischen Eigenschaften dieser Nanoschäume zeigen. Zu diesem Zweck wird eine spezielle skalierbare Herstellroute Hochverformung mit anschließender selektiver Auflösung angewandt, um die optimierten Nanostrukturen und entsprechenden Porositäten einzustellen. Zum Verständnis der zugrunde liegenden Verformungs- und Bruchprozesse auf der Nanometerskala werden miniaturisierte in situ Prüfverfahren in Kombination mit Protonenbestrahlung eingesetzt. Die identifizierten plastischen Prozesse dienen als Grundlage zur Erstellung eines physikalischen Materialmodelles, welches den Einfluss von Bestrahlung und Temperatur auf das mechanische Verhalten nanoporöser Werkstoffe beschreibt. Diese Arbeit adressiert zum ersten Mal eine innovative Herangehensweise zum grundlegendenVerständnis neuartigerMassivmaterialien mit herausragender Bestrahlungsresistenz auf der Basis von Nanoschäumen. Da die Herangehensweise universal einsetzbar und fast beliebig auf andere Systeme übertragbar ist, werden die Erkenntnisse dieses Projektes eine richtungsweisende Grundlage für zukünftige wissenschaftliche Studien und konstruktive Umsetzungen darstellen.

Wolfram (W) ist wegen seiner ausgezeichneten Eigenschaften ein wesentlicher Strukturwerkstoff für Fusionsanwendungen. Aufgrund der außergewöhnlich hohen Umgebungsbelastungen in neu entwickelten Fusionskraftwerken zeigen aber selbst diese Werkstoffe markante Veränderungen der Mikrostruktur sowie eine deutliche Degradation der mechanischen Kennwerte. Diese Bestrahlungsresistenz eines Werkstoffes kann aber durch die gezielte Einstellung eines hohen Anteils an Grenzflächen oder freien Oberflächen positiv beeinflusst werden. Daher ist es Ziel dieses Projektes, strahlungsbeständige Materialien auf Basis von nanoporösem W herzustellen. In dem vorliegenden Projekt wurde die Synthese von nanoporösem Wolfram, also einem Nanoschaum, durch eine einzigartige Prozedur bestehend aus Hochverformung eines konventionellen Wolfram-Copfer (W-Cu) Komposit gefolgt von der selektiven Auflösung des edleren Kupfers. Die verschiedenen Ätzlösungen zeigten einen markanten Einfluss auf die Oberflächendiffusion der W Atome und beeinflussten dadurch die Schaumstrukturen. Durch Nanohärtemessung und Mikrodruckversuche in einem Rasterelektronenmikroskop konnten wir zeigenr, dass die Nanoschäume aus einem verzweigten Netzwerk verbundener Ligamente und Poren bestehen und außergewöhnliche Festigkeiten aufweisen. Darüber hinaus sind die Eigenschaften der Nanoschäume stark abhängig von Parametern wie Zellarchitektur, relativer Dichte, Zellformanisotropie, Ligamentdicke und struktureller Ordnung. Die einzigartige Herstellungsroute der Wolfram Nanoschäume aus diesem Projekt ist generell anwendbar um andere schwierig herzustellende aktive Materialien als nanoschäume zu realisieren. Unser Verständnis des Ätzprozesses erlaubt uns, die strukturellen Parameter und damit die Eigenschaften einzustellen. Dieses Verständnis der Interaktion zwischen Struktur und mechanischen Kennwerten erlaubt uns, Materialien mit gewünschten Eigenschaften einzustellen. Diese vielversprechenden Ergebnisse sollen als Grundlage dienen für zukünftige wissenschaftliche und anwendungsrelevante Anwendungen. Dabei dienen die hergestellten Nanoschäume als Modellmaterial zur Weiterführung des Grundlegenden Verständnisses von Nanoschäumen in einer extremen Strahlungsumgebung.