Auf dem Weg zu selbstheilenden Metallen durch optimal verteilte Ti-Ni Formgedächtnis-Nanopartikel

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Obwohl das Konzept selbstheilender Materialien für alle Materialklassen interessant ist, waren die bisherigen Erfolge auf polymerische Systeme und in einigen Fällen auf Keramiken limitiert. Selbstheilende Metalle--trotz der führenden Rolle von Metallen bei Strukturwerkstoffen--sind am wenigsten untersucht, da sich konventionelle (polymerische) Heilkonzepte auf Metalle nur schwierig übertragen lassen. Träge chemische Reaktionen im metallischen Bulk und langsame Diffusionsraten bei Raumtemperatur zeigen die Notwendigkeit spezieller und neuartiger Heilmechanismen für Metalle. NanoTiNi schlägt ein für das Feld der selbstheilenden Metalle neuartiges Konzept vor, das den Weg in eine neue Ära des Materialdesigns führen könnte. Die wesentliche Idee ist, den Formgedächtniseffekt in nano-dispersive kohärente Partikel einzukapseln, die als Selbstheilungsagenten einen autonomen Heilungsprozess injizieren sollen. Die kohärenten Formgedächtnis-Nanopartikel werden in eine übliche metallische Mischkristallmatrix eingeführt und durch diese stabilisiert. Die kohärente Matrix zeigt übliche mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität und Härte. Die speziellen und neuartigen Selbstheilungseigenschaften entstehen durch derart optimierte Größe und Verteilung der Formgedächtnispartikel, dass beste Resistenz gegenüber Nanorissen--welche im Normalzustand einen Materialbruch einleiten würden--gewährleistet ist. Im vorliegenden Fall, werden die Nanorisse und ihre Spannungsfelder als lokale Quellen für die Aktivierung der Nanopartikel- Transformation und des Selbstheilungsprozesses ausgenutzt. Die NanoTiNi Idee ist motiviert durch neuste atomistische Simulationen, die klar zeigen, dass eine spannungsgetriebene Korngrenze einen herannahenden Riss heilen kann. Da die spannungsgetriebene Korngrenze zu langsam ist und eine externe Aktivierungsspannung benötigt, eignet sie sich nicht als Selbstheilungsprozess. In unserem Ansatz ersetzen wir die Korngrenze durch die Grenzflächenbewegung zwischen Matrix und Nanopartikel bei der Transformation. Das macht den Mechanismus lokal und autonom und daher zu einem echten Selbstheilungsmechanismus. Da die gesetzten Ziele höchst anspruchsvoll sind, bietet NanoTiNi einen integrierten Ansatz, der hochmoderne ab initio Rechnungen bei finiten Temperaturen mit in situ experimentellen Multiskalen-Charakterisierungsmethoden und jahrelanger Erfahrung bei Legierungsdesign verbindet. Um das Projekt innerhalb der Förderperiode möglich zu machen, ist NanoTiNi auf ein spezielles Materialsystem, Ti-Ni-V, mit Ti-Ni als Formgedächtnislegierung fokussiert. Die Mechanismen werden nur für dieses Modellsystem untersucht, aber die entwickelten Methoden und gesammelten Erfahrungen werden auf beliebige Systeme anwendbar sein.