30.04.2018

Metalloxide auf der Nanoskala

Wie Sauerstoff die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Legierungen beeinflusst.

Plastische Verformung und Pulver­verarbeitungs­techniken werden gebraucht, um kosten­günstig nanostruk­turierte Materialien mit maßge­schneiderter Zusammen­setzung herzu­stellen. Diese Verfahren ermög­lichen zudem Metalle zu kombi­nieren, die sich mit herkömm­lichen Verfahren nicht mischen lassen. Dass plas­tische Hochver­formung zur Legierungs­entwicklung bisher nicht groß­flächig indus­triell verwendet wird, liegt am Sauerstoff, der während des Mischens der Pulver und während der plas­tischen Verformung in die Pulver beziehungs­weise die Legierung hinein­dringt und ihre Morpho­logie, mecha­nischen Eigen­schaften und ther­mische Stabilität beein­flusst. Wissen­schaftler vom Max-Planck-Institut für Eisen­forschung MPIE wollen zusammen mit öster­reichischen und chine­sischen Kollegen genau diese Beein­flussung nutzbar machen. Sie analy­sierten in-situ Kupfer-Eisen-Legie­rungen während des Glühens, um heraus­zufinden wann und wie sich Oxide bilden und wie sie genutzt werden können, um nano­kristalline Materia­lien zu festigen.

Abb.: Max-Planck-Forscherin Jazmin Duarte analysiert die Sauerstoffverteilung in Legierungen mittels einer 3D-Atomsonde. (Bild: MPIE)

„Durch die Kombi­nation verschie­dener experi­menteller und theo­retischer Methoden, analy­sierten wir das ther­mische Verhalten von Oxiden in nano­kristallinen Kupfer-Eisen-Legierungen, die durch die plas­tische Verformung als meta­stabile feste Lösung vorlagen. Dabei konnten wir beo­bachten, dass sich nano­skalige Kupfer- und Eisen­oxide innerhalb der Körner bereits bei relativ niedrigen Tempera­turen während einer Wärme­behandlung bilden. Erhöht man die Tempe­ratur, so zerfällt die meta­stabile, feste Kupfer-Eisen Lösung in eisen- und kupfer­reiche Phasen“, erklärt Jazmin Duarte, Wissen­schaftlerin in der Abteilung Struktur- und Nano-/Mikro­mechanik von Materia­lien. Die Kupfer- und Eisen­oxide wachsen mit steigender Tempe­ratur bis sie etwa zehn Nano­meter erreichen. Beide Oxid­verteilungen sind fast iden­tisch, das heißt, dass Sauer­stoff in einen bestimmten Bereich während des Glühens hinein­diffundiert und so die Oxi­dation voran­treibt.

„Zum ersten Mal ist eine direkte Beobach­tung der Oxid­bildung in nano­kristallinen Legie­rungen möglich. Um sicher­zustellen, dass der Elektronen­strahl des einge­setzten Transmissions­elektronen­mikroskops oder die Proben­größe keinen Einfluss auf den Oxida­tions- oder Ausscheidungs­prozess haben, haben wir auch ver­gleichende ex-situ Analysen durch­geführt und konnten so unsere Ergeb­nisse bestätigen. Dies bedeutet, dass wir nun die Möglichkeit haben mecha­nische Eigen­schaften über das gezielte Ein­schleusen von Sauerstoff in nanokris­talline Legierungen zu beein­flussen. Sauerstoff, der bis heute als zu vermeidende Konta­mination gesehen wurde, kann nun ganz bewusst zum Legierungs­design verwendet werden.“, erklärt Gerhard Dehm, Direktor am Düssel­dorfer Max-Planck-Institut.

Die Wissen­schaftler unter­suchen nun wie Sauerstoff gezielt in Legie­rungen einge­schleust werden kann und wie sich die Mikro­struktur und damit einher­gehend die mecha­nischen Eigenschaften mit steigendem Sauerstoff­gehalt verändern. Solche maßgeschnei­derten Mikro­strukturen können genutzt werden, um nano­kristalline Materialien für unter­schiedlichste Anwen­dungen mittels Sauer­stoff durch extrem feine Oxid­teilchen zu festigen.

MPIE / JOL

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