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FG Werkstoffe der Elektrotechnik


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Ansprechpartner

Univ.-Prof. Dr. Peter Schaaf

Fachgebietsleiter

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INHALTE

Projekte

Hier finden Sie einige Projekte, mit welchen sich das Fachgebiet zur zeit beschäfftigt:

Herstellung und Eigenschaften von MAX-Phasen Coatings

DFG-Projekt (Einzelprojekt Schaaf)

MAX-Phasen sind eine neue und hochinteressante Materialklasse, die erst in den letzten Jahren entdeckt und untersucht wurde. Aufgrund ihrer besonderen nano-laminaren Kristallstruktur besitzen MAX-Phasen erstaunliche Eigenschaften, die einen technologischen Einsatz als „funktionelle Keramiken“ sehr interessant machen. MAX-Phasen vereinen normalerweise gegensätzliche Eigenschaften – keramische und metallische. Sie sind beständig gegen Oxidation und thermische Zersetzung bei Temperaturen über 1300°C und haben gute thermische und elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Festigkeit und sind duktil und schockbeständig.

Bisher wurden MAX-Phasen nur als Bulk-Material produziert. Die Herstellung und Anwendung von MAX-Schichten ist bisher kaum untersucht. Solche MAX-Coatings haben ein sehr hohes technologisches Potenzial. Ziel der hier beantragten Arbeiten ist es, diese Materialien in Hinblick auf ihre Darstellbarkeit als Beschichtung zu untersuchen und ihre Eigenschaften zu optimieren. MAX-Schichten werden hierzu mittels gepulster Laserdeposition (PLD) sowohl aus vorsynthetisierten MAX-Phasen, als auch reaktiv aus den einzelnen Elementen – hergestellt und hinsichtlich ihrer Eigenschaften und ihrer industriellen Anwendbarkeit untersucht. Dieses Projekt beruht auf einer Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Michael Baroum an der Drexel University in Philadelphia.

 

Verantwortlicher: Marcus Hopfeld, Prof. Schaaf

Herstellung von Gold-Nickel Nanopartikeln aus Entnetzung

Dünne Filme erfahren wegen ihres großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen eine treibende Kraft, die zur Bildung von Agglomeraten unter Oberflächenverringerung beim Auslagern führt. Dieser Prozess ist bekannt als Dewetting und kann bereits bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Schichtmaterials auftreten.

In den letzten Jahren wurde diese Entnetzung von dünnen metallischen Filmen als eine vielversprechende Methode zur Herstellung verschiedener Nanostrukturen angewendet, welche im Bereich der Katalyse, bei plasmonischen Anwendungen oder in magnetischen Speichermedien eingesetzt werden können.

Hierbei bieten Nanolegierungen aufgrund der Kombination aus Größe und Zusammensetzung neue oder möglicherweise einzigartige Eigenschaften und damit eine Erweiterung möglicher Einsatzbereiche. Dünne Zweischichtsysteme, welche aus zwei Einzelschichten metallischer Komponenten bestehen, könnten daher eine geeignete Grundlage für die selbstorganisierte Synthese neuartiger Legierungsstrukturen mittels Dewetting bilden.

 

 

     

 

Mehr dazu in unserem Paper: http://dx.doi.org/10.1007/s10853-011-5716-0

Verantwortlicher: Andreas Herz

Nanostrukturierung von Siliziumoberflächen

Zwei Arten von nanostrukturiertem Silizium, nanoporöses Si und Si Nano-Säulen, wurden erfolgreich als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien hergestellt. Metall-unterstütztes chemisches Ätzen (MaCE) wurde für die Herstellung diese Nanostrukturen genutzt. Hierzu wurden verschiedene Parameter untersucht, um deren Einfluß auf den MaCE-Prozess besser zu verstehen. In der Arbeit wurden die Zusammensetzung der Ätzlösung, das Dotierungsniveau des Siliciums, sowie die kristallographische Orientierung des Si-Substrates variiert. Die Ätzrate von Si verringert sich, wenn die Konzentration der gesamten aktiven Komponenten in der Ätzlösung erhöht wirde. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die geätzte Struktur abhängig vom Molverhältnis Lamda = [HF] / ([HF] + [H2O2]) ist. Geordnete Si Nano-Säulen (nanoporöse Si-Nano-Säulen und Si Nano-Säulen mit nanoporöser Schale), wurden durch eine Kombination von Nanoimprint Lithographie und MaCE hergestellt. Die elektrochemischen Eigenschaften des nanostrukturierten Si für Batterieanwendungen wurden mittels Cyclovoltammetrie charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die nanostrukturierten Si-Strukturen eine höhere Kapazität und eine bessere Stabilität gegenüber Bulk-Si aufweisen.

 

Verantwortlicher: Dong Wang

Zerstörende und zerstörungsfreie Methoden der Austenitbestimmung

Der kubisch-flächenzentrierte Austenit nimmt unter den Phasenbestandteilen der Eisenlegierungen eine besondere Stellung ein. Neben den chemischen werden auch die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes durch den Austenit positiv beeinflusst. Die höhere Duktilität sowie die spannungsinduzierte Umwandlung in den Martensit sorgen für höhere Dauerfestigkeiten und sind Grundlage für die Anwendung der Mehrphasenstähle [1-3]. Die korrekte Quantifizierung des Austenits ist die Voraussetzung für die Bestimmung des Eigenschaftsprofils eines Werkstückes. In der Praxis wird eine Vielzahl von Methoden zur Austenitbestimmung verwendet, welche sich hinsichtlich ihres Detektionsbereichs, Funktionsprinzips und Maßeinheit unterscheiden [4]. Die werkstoffspezifische Abstimmung der verschiedenen Methoden würde eine auf den Anwendungsfall zugeschnittene Prüfung des Austenitgehalts erlauben. Zudem ist eine, aus den Messdaten heraus, umfassende Charakterisierung dieses Gefügebestandteils möglich, dass die eigenschaftsbeeinflussenden Wirkungen in verschiedenen Eisenlegierungen verständlich macht.

 

[1]     Spangenberg, S.; Grosch, J.; Scholtes B.: Untersuchung zum Einfluss des Restaustenits auf die Schwingfestigkeit einsatzgehärteter Proben. In: HTM Z. Wärmebeh. Fertigung 59 (2004) 1, 12-17

[2]       Reiter, J.; Bernhard, C.; Presslinger, H.: Austenite grain size in the continuous casting process: Metallographic methods and evaluation. In: Materials Characterization, 2008, 59, 737-746

[3]       Wang, X.; Huang, B.; Rong, Y.; Wang, L.: Microstructures and stability of retained austenite in TRIP steels. In: Materials Science and Engineering: A, 2006, 438-440, 300-305

[4]       Spieß, L.; Morgenbrodt, S.; Teichert, G.; Schaaf, P.: Restaustenitbestimmung-vergleichende Untersuchung mit zerstörungsfreien Messmethoden. In: DGZfP-Jahrestagung 2011 Zerstörungsfreie Materialprüfung / Jahrestagung Zerstörungsfreie Materialprüfung; 2011 (Bremen) : 2011.05.30-06.01. - Berlin : DGZfP (2011), insges. 7 S.

 

Verantwortlicher: Sören Morgenbrodt

 

Reaktive Mehrschichtsysteme

Sehr dünne metallische Schichten aus zwei verschiedenen Metallen (z.B. Nickel und Aluminium) werden als Mehrschichtsysteme übereinander gesputtert. Zündet man diese mittels elektrischem Funken oder Laserimpulse so bildet sich eine intermetallische Phase. Während dieser Phasenbildung entsteht Wärme, die in manchen Fällen hoch genug ist, um eine selbsterhaltende Reaktion aufrechtzuerhalten.

Ein Beispielvideo finden Sie hier.

Es konnte gezeigt werden, dass mit bezinnten Mehrschichtfolien, sogenannten Nanofoils® Bondverbindungen zwischen Keramiken hergestellt werden können. 

 

Mehr dazu in unserem Paper: http://dx.doi.org/10.1002/pssa.201127470

 

Verantwortlicher: Rolf Grieseler

Hautartige Werkstoffe

DFG-Projekt im Schwerpunktprogramm (SPP) „Adaptive Oberflächen für Hochtemperatur-Anwendungen: Das „Haut“-Konzept.

Metallische und keramische Werkstoffe werden in der Regel als „tote“ Materie betrachtet. Insbesondere bei erhöhten und hohen Temperaturen (ca. 650-1100°C) besitzen jedoch maßgeschneiderte Werkstoffoberflächen das Potenzial, wie lebende Hautsysteme auf ihre Umwelt mit sensorischen oder aktorischen Eigenschaften, Schutzwirkung oder Permeabilität zu reagieren und somit einem technischen Bauteil zu besonderen Funktionalitäten zu verhelfen. Beispiele sind eine sich selbst ausbildende Oberflächen-Mikrostruktur bzw. lokale oder integrale Schwellung/Schrumpfung („Haifischhaut“), „Atmung“ bzw. „Transpiration“ durch Membranfunktionen, Aufbau von Schutzfunktionen gegen Wärmedurchtritt und chemischen Angriff, Selbstreinigung bzw. Abstoßung von Ablagerungen, Regeneration (Selbstheilung bei Oberflächenschädigungen), etc. Solche Hautfunktionen, wie wir sie von unserer eigenen Haut kennen sind in Abbildung 1 veranschaulicht.

Alle diese Eigenschaften lassen sich durch vorbereitende chemische und/oder physikalische Behandlung der Oberflächen vor der Hochtemperaturexposition erreichen, wobei hierzu verschiedene Wege beschritten werden können. „Leben“ wird diesen Oberflächen im Betrieb bei hohen Temperaturen eingehaucht, wo sie ihre adaptive „Haut“-Funktion entwickeln („Hochtemperaturaktivierung“). So lautet denn das genaue Thema des Projektes: „Hochtemperatur-Funktionalisierung von adaptiven Oberflächen-Mikrostrukturen - „Haifischhaut“ (Strömungsoptimierung) und Lotus-Effekt (Selbstreinigung)“.

Ziel des Vorhabens ist das Erforschen der werkstoffphysikalischen und prozesstechnischen Grundlagen für die reversible thermische Aktivierung einer definierten Oberflächentopografie im Nano-/Mikrobereich (Haifischhaut) während des Betriebes, kombiniert mit der Selbstreinigung der Oberfläche während Stillstandszeiten (Lotus-Effekt).

Der in dem Forschungsvorhaben verfolgte Lösungsansatz liegt in der geschickten Kombination von positiven und negativen thermischer Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Phasen. Bei der (Hochtemperatur-) Inbetriebnahme wird das Wachstum von Keramikclustern mit negativer thermischer Ausdehnung aktiviert und es kommt zur Ausbildung einer gezielten dreidimensionalen Verteilung der keramischen Bestandteile. Dadurch ist es möglich die Oberfläche im Hinblick auf Strömungseigenschaften (Haifischhaut) zu optimieren. Anhaftende Verunreinigungen werden durch die Inversion der Verformung bei der Abkühlung wieder abgelöst.

Prinzip des Projektes:


Das Vorhaben ist ein Gemeinschaftsantrag von Univ.-Prof. Dr. Peter Schaaf (TU Ilmenau) und von Univ.-Prof. Dr. Johannes Wilden (TU Berlin). Im DFG Schwerpunktprogramm sind weiterhin Gruppen aus Jülich, Frankfurt, Hannover, Aachen, Köln, Darmstadt, Bochum, Tübingen, Cottbus, Bayreuth und Kiel beteiligt.