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Defekte in Materialien

Die Mitte 2018 gegründete Abteilung „Defekte in Materialien“ des IAM-WK untersucht die Defektstruktur und deren Einfluss auf Thermodynamik, Kinetik und Mechanik kristalliner Materialien. Sie ist sowohl am Campus Süd als auch am Campus Nord des KIT angesiedelt.

Leiter der Abteilung: Dr. rer. nat. Stefan Wagner

Wissenschaftliche Mitarbeiter

M.Sc. Philipp Klose
M.Sc. Ou Jin

Unterstützt werden unsere Arbeiten innerhalb der KNMF und des EMR von unseren Kolleginnen:
Dr. Dorothée Vinga Szabó
Dr. Sabine Schlabach

Kernkompetenz

Durch die Komplexität ihrer Wechselwirkungen haben Defekte das Potential, die Eigenschaften von Materialien zu verbessern, sie können diese jedoch auch schädigen. Die Defektstruktur der Materialien ist vom jeweiligen Herstellungsprozess und der Prozessführung abhängig und lässt sich über diese aktiv beeinflussen. Defekte sind mikrostrukturelle Fehler der Kristallstruktur (Leerstellen, Versetzungen, Poren, Korngrenzen, Oberflächen, Phasengrenzflächen), aber auch gelöste interstitielle (u.a. Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff) und substitutionelle Fremdatome und Ausscheidungen. Ihre Wirkung auf die Eigenschaften von Materialien wird durch ihre Wechselwirkung untereinander, mit der Kristallstruktur und mit äußeren mechanischen Spannungsfeldern bestimmt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Defektstruktur nicht statisch ist, sondern sich durch die Wechselwirkung der Defekte dynamisch verändern kann. Dies verändert Löslichkeiten, Phasengrenzen und Phasenstabilitäten von Legierungen ebenso wie Diffusionsmechanismen, die elektrische Leitfähigkeit, die Hysterese bei Interkalationsprozessen und die Festigkeit sowie das Ermüdungsverhalten von Materialien.

Ziel unserer Arbeiten ist die Entwicklung eines systematischen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Materialien und dessen Nutzung für die Optimierung angewandter Materialien. Dazu kombinieren wir in einem holistischen Ansatz in-situ und ex-situ Methoden der hochauflösenden Materialcharakterisierung mit Methoden zur Untersuchung makroskopischer Materialkenngrößen. Dies ermöglicht uns die Identifikation von Defekten und ihrer Anordnung im Raum, und davon ausgehend skalenübergreifende Korrelationen mit den Materialeigenschaften.

Einen Schwerpunkt unserer Arbeiten bildet das Studium der Struktur und der durch die Struktur veränderten Legierungsthermodynamik nanoskaliger Metall-Wasserstoff-Modellsysteme (dünne Schichten, Cluster). Hier steht die Frage im Mittelpunkt, wo der Wasserstoff im Metall gelöst wird, wie die Wasserstoff-Beladung die Mikrostruktur und den mechanischen Spannungszustand des Metalls verändert, und welche Folgen dies für die physikalischen Eigenschaften des Metall-Wasserstoff-Systems hat. Davon ausgehend untersuchen wir aktuell additiv gefertigte und nano-kristalline Materialien, Wasserstoff-Speichermaterialien, Gassensoren und die Wasserstoffversprödung von Stählen.

Im Rahmen der KNMF der Helmholtz-Gemeinschaft kooperieren wir national und international mit verschiedenen Gruppen und unterstützen mit elektronenmikroskopischer bzw. FIB-Expertise unter anderem zu den Themen Energiematerialien, High Entropy Alloys, magnetische Materialien, oder Nanopartikel. Innerhalb des Programms für Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen (EMR) beteiligen wir uns an der Optimierung von Materialien für nachhaltige Technologien.

 

Links: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme (Dunkelfeld) von Stapelfehlern in der Phase Cr2Nb der gerichtet erstarrten Legierung Nb-8,7Si-33,1Cr, kriechverformt bei 1200°C und 120 MPa (Florian Gang, Mechanische und oxidative Eigenschaften eutektischer Nb-Si-Cr - Legierungen. Dissertation Fakultät für Maschinenbau des Karlsruher Instituts für Technologie, Karlsruhe (2016)).
Rechts: Probe von Dr. Florian Gang (Nb-Si-Cr-Legierung): Transmissionselektronenmikroskopische Hellfeld-Aufnahme von Versetzungen in der Nb-Si-Cr Matrix, die an Cr2Nb- Ausscheidungen gepinnt werden (unveröffentlicht).

 

Links: Rastertunnel-mikroskopische Abbildung von Hydrid-Ausscheidungen in einer 55 nm dünnen epitaktischen Niob-Schicht bei 4x10-6 mbar Wasserstoffdruck (Nano Let. 16 (2016) 6207).
Rechts: Schichtdicken-Abhängigkeit der kritischen Temperatur der Hydridbildung in epitaktischen Niob-Wasserstoff-Schichten (Chem. Phys. Chem. 20 (2019), Int. J. Hydr. En. 41 (2016) 2727) Die Hydridbildung kann durch mechanische Spannungen unterdrückt werden. Umgekehrt ändert der Abbau mechanischer Spannungen die Defektstruktur des Metalls.

Experimentelle Methoden und Probencharakterisierung

Zur Herstellung und zur Charakterisierung der von uns untersuchten Materialsysteme nutzen wir in-house Apparaturen und innerhalb der KNMF bereitgestellte Geräte. Für die Probencharakterisierung arbeiten wir zudem eng zusammen mit dem materialographischen Labor und den Laboratorien für mechanische Werkstoffprüfung am IAM-WK.

Zur Herstellung und zur skalenübergreifenden Charakterisierung nutzen wir