Synthese von massiven Nanokompositen durch Hochverformung

Neu entwickelte Techniken zur intensiven plastischen Verformung von Metallen, kurz Hochverformungsverfahren, werden bis dato hauptsächlich zur Herstellung von einphasigen ultrafeinkörnigen oder nanokristallinen Materialien benutzt. Zusätzlich zu dieser Anwendung bieten diese Techniken innovative Möglichkeiten Mikrostrukturen ähnlich jenen, die durch mechanisches Legieren hergestellt werden, zu generieren. Im Vergleich zum klassischen mechanischen Legieren ist das Produkt dieser Prozesse massiv und besitzt eine wohl definierte Zusammensetzung. Die Ausgangsmaterialienkönnen vielseitigsein, zumBeispielgrobkörnige 2 oder Mehrphasenlegierungen, eine Mischung verschiedener Pulver, Bleche, Drähte oder jede andere Kombination von festen Ausgangsmaterialien. Erste Machbarkeitsstudien mit Pulvern zeigen die Möglichkeit dichte nanostrukturierte Materialien, Nanokomposite und unerwartete metastabile Materialien zu generieren, die in massiver Form mit anderen Verfahren nicht herstellbar sind. Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer Methodik, welche die Vorhersage der notwendigen Hochverformungsschritte zur Herstellung eines vordefinierten nanostrukturierten Massivmaterials bzw. Nanokomposits erlaubt. Die Entwicklung dieser Methodik soll die Herstellung innovativer Nanokomposite für funktionelle und strukturelle Anwendungen mit zugeschnittenen Eigenschaften ermöglichen. Die systematische Änderung einer Vielzahl von Prozessparametern zusammen mit der Anwendung und Variation unterschiedlicher Prozesstechniken stellt eine mögliche Herangehensweise dar, um das definierte Ziel zu erreichen Ein anderer Ansatz ist die Verwendung neu entwickelter in- situ Techniken. Diese Techniken werden für die Analyse der Verformungsprozesse auf allen Längenskalen verwendet: von der atomistischen Skala, über die Nano- und Mikro- bis zur Makroskala. Ein weiterer Hauptteil des Projekts wird sich mit der Schadenstoleranz dieser neu entwickelten Materialien auseinandersetzen. Brucheigenschaften bestimmen oft stark die technische Anwendbarkeit verschiedener Prozeße und so gleichzeitig die Grenzen des Nanostrukturierungsprozesses. Außerdem wird die Schadenstoleranz auch ein Schlüsselfaktor für die spätere strukturelle und funktionelle Anwendung dieser neuen Materialien darstellen. Modellmaterialien, wie zum Beispiel Fe-Cu oder Fe- Co, werden untersucht, um ein besseres Verständnis für die strukturelle Fragmentierung der Ausgangsmaterialien und die Bildung und Stabilisierung der Nanokomposite zu erhalten. Aufgrund der großen Vielfalt der möglichen Materialkombinationen ist die Absicht jene Modelmaterialien im Detail zu untersuchen, welche den Anforderungen neuer, innovativer Verwendungszweckeentsprechen.Als Zielgruppe dieser neuen Materialien können mikromechanische, magnetische, elektrische und medizinische Anwendungen betrachtet werden.

Verbundwerkstoffe (Komposite) sind eine Materialklasse, die zumindest aus zwei unterschiedlichen Komponenten bestehen und in ihrer Kombination Eigenschaften besitzen welche die einzelnen Komponenten für sich allein nicht besitzen. Obwohl solche Strukturen seit langer Zeit bekannt sind, ist noch viel Spielraum für Materialentwicklung vorhanden. Im Rahmen dieses Projekts wurden Komposite mittels Hochverformungsverfahren hergestellt. Diese Methoden erlauben es die Strukturgröße der Komponenten extrem zu verringern und Strukturen im Nanometerbereich einzustellen. Die Strukturgröße hat dabei einen starken Einfluss auf strukturelle (zum Beispiel, wie fest das Material ist) und funktionelle Eigenschaften (zum Beispiel, wie magnetisch die Probe ist). Die Ausgangsmaterialien können für die Synthese mittels Hochverformungsverfahren sehr unterschiedlich sein und hier wurden speziell sogenannte Hoch-Entropie Legierungen verwendet. Durch Kombination aus Hochverformung und nachfolgender Wärmebehandlung entstehen dabei Nanokomposite. Somit konnten völlig neuartige Nanokomposite hergestellt werden. Ein Kennzeichen dieser neuartigen Materialien ist ihre hohe Härte und Festigkeit, welche durch Veränderung der Prozessparameter in einen weiten Bereich eingestellt werden kann. Neben der Festigkeit brauchen Materialien für viele Anwendungen auch ein bestimmtes Maß an Verformbarkeit und eine bestimmte Toleranz gegenüber der Ausbreitung von Rissen (Zähigkeit). Die Nanokomposite zeigen jedoch oft nur eingeschränkte Verformbarkeit. Mit der Hilfe von speziellen Wärmebehandlungen konnten in einigen Materialzuständen die Verformbarkeit jedoch verbessert werden. Um mehr darüber zu lernen, wie man die Rissempfindlichkeit solcher Komposite, verbessert, wurde auch ein spezieller Stahldraht untersucht. Solche Drähte kommen oft zum Beispiel in Hängebrücken oder als Klavierseiten zum Einsatz. Obwohl diese Materialklasse schon lang in Verwendung ist, besitzt der untersuchte Draht in seiner Form die derzeit höchste Festigkeit aller Konstruktionswerkstoffe und besitzt dennoch ein gewisses Maß an Verformbarkeit. Um sein Geheimnis zu lüften, wie es in diesem Material möglich ist hohe Festigkeit und Verformbarkeit zu vereinen, wurde das Rissverhalten in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen untersucht. Es zeigte sich, dass in bestimmten Richtungen das Material nur einen sehr geringen Risswiderstand besitzt und dadurch in anderen Richtungen, zum Beispiel quer zur Drahtachse und somit entlang der Hauptbelastungsrichtung eines Drahtes, ein hoher Risswiderstand ermöglicht wird. Ein ähnliches Verhalten kennt man auch von biologischen Materialien wie zum Beispiel Holz und Knochen. Das zugrunde liegende Design-Konzept könnte in Zukunft auch auf weitere Materialklassen übertragen werden, um hochfeste aber gleichzeitig zähe Metall-Legierungen und Komposite zu erzeugen.