TP 2: Neue Hartstoff und Hochdruckphasen

Neue Hartstoffe und Hochdruckphasen im Elementsystem Si/Al/C/N/(H) aus molekularen Vorstufen - Si/Al/C/N-Precursorkeramik

 

Motivation

Werkstoffe, basierend auf den binären Elementsystemen Si/C, Si/N (Siliciumcarbid und –nitrid) sowie Al/N, befinden sich in vielfältigen industriellen Anwendungen. Reiner Kohlenstoff ist in Form seiner Hochdruck­modifikation Diamant als härtestes Material ebenfalls in industriellem Einsatz. An weiteren Kohlenstoff-basierten (binären) Materialien und an den ternären Materialien des Element­systems Si/Al/C/N/(H) wird gegen­wärtig intensiv geforscht, da man sich durch die je nach Her­stellungs­verfahren ergebenden Phasen-Kombinationen und Gefügestrukturen deutlich verbesserte Material­eigenschaften erhofft. Der Einsatz von (mehrstufigen) Hochdruckverfahren ist dabei bislang kaum untersucht worden.

Eigene Vorarbeiten

In den vergangenen Jahren wurden in unterschiedlichen Forschungsprojekten sowohl grundlegende als auch anwendungsnahe Untersuchungen zu Precursor-abgeleiteten Keramiken, Hybridmaterialien, Hartstoffen und Hochdruckphasen durchgeführt. Dabei wurden meist polymere Vorstufen eingesetzt und Produkte in den Elementsystemen C/N, Si/N, B/C/N und Si/C/N synthetisiert. Methodisch standen neben klassisch-anorganisch-chemischen Syntheseverfahren mittels Schlenk- und Glovboxtechnik, die Polymerpyrolyse und Ultra-Hochdruck­synthesen unter Einsatz von Multi-Anvil-Pressen, z.T. Diamantstempelzellen und Stoßwellen, im Zentrum des Interesses. Gegenwärtig laufen zwei von der DFG geförderte Projekte zur Thematik Hochdruck­forschung. Einerseits werden im SPP 1181 Untersuchungen zur Herstellung neuer Hartstoffe durch Gefügedesign und Multi-Anvil-Hochdruck-Experimente gefördert. Daneben wird Im SPP 1236 experimentell und theoretisch untersucht, welche Hochdruckphasen im Elementsystem Si/Al/O/N existieren.

 

  • M. Jansen (Hrsg.), High Performance Non-Oxide Ceramics, Bd. 1 u. 2, Springe-Verlag Berlin, 2002
  • A. Weimer, Carbide, Nitride and Boride Materials Synthesis and Processing, Chaman and Hall Lodon, 1997.
  • A. Zerr, et al., Recent advances in new hard high-pressure nitrides, Adv. Mater., 2006 (18), 2933.
  • E. Kroke, Habilitationsschrift (TU Darmstadt), Tenea Verlag, Berlin, 2004.
  • E. Kroke, M. Schwarz, Novel group 14 nitrides, Coord. Chem. Rev., 2004 (248), 493. 
  • E. Kroke, Y.-L. Li, C. Konetschny, E. Lecomte, C. Fasel, R. Riedel, Silazane Derived Ceramics and Related Materials, Mater. Sci. Eng. R, 2000 (26), 97.
  • W. Völger, E. Kroke, R. Riedel, C. Gervais, F. Babonneau, T. Saitou, Y. Iwamoto, B/C/N Materials and B4C Synthesized by a Non-Oxide Sol-Gel Process, Chem. Mater., 2003 (15), 755.
  • K.W. Voelger, R. Hauser, E. Kroke, R. Riedel, Y.H. Ikuhara, Y. Iwamoto, Synthesis and characterization of novel non-oxide sol-gel derived mesoporous amorphous Si-C-N membranes, J. Ceram. Soc. Japan, 2006 (114), 567. 

Ziele

Das Hauptziel des vorliegenden Antrags ist die Entwicklung und Anwendung von Methoden, die, ausgehend von molekularen Ausgangsverbindungen, das Design und die Herstellung extrem harter und verschleißbeständiger Werkstoffe im Elementsystem Si/Al/C/N/(H) ermöglichen. Dazu sollen zunächst chemische Synthesen, gefolgt von Hochdruck-Umwandlungs- und Verdichtungsex­perimenten, zum Einsatz kommen. Weiterhin sollen diese Werkstoffe sowie im Rahmen weiterer Forschungsprojekte des FHP erzeugte Produkte auf ihre Beständigkeit und ihr Verhalten unter Hochdruckeinfluss in Multi-Anvil-Press- und Stoßwellenexperimenten getestet werden.Übergreifendes und längerfristiges Ziel ist die Entwicklung neuer Hochleitungswerkstoffe im Elementsystem Si/Al/C/N/(H). 

Arbeitsprogramm

  1. Chemische Synthese molekularer und polymerer Edukte: Zunächst müssen möglichst homogene Ausgangsmaterialien hergestellt werden, die die gewünschten Elemente in gleichmäßiger Verteilung und kontrollierbarer Menge enthalten. Dazu sollen u.a. Verbindungen wie Aluminium­hydride mit geeigneten C/N/H-Verbindungen kombiniert werden. Die Siliciumchemie bietet darüber hinaus vielfältige Möglichkeiten, Struktur und Zusammensetzung von pseudo-binären Substanzen im System Si/C/N/(H) zu synthetisieren. Hier bieten sich z.B. (Poly)silane, -silazane und –carbosilane und deren Kombinationen an.
  2. Erzeugung pulverförmiger Edukte: Durch Vernetzung und drucklose thermische Auslagerung in unterschiedlichen (Reaktiv)gasatmosphären lassen sich meist pulverförmige Edukte für nach­folgende Hochdruckversuche gewinnen. Diese können u.a. in einer Hochenergie-Kugelmühle zerkleinert und homogenisiert werden. Um bereits Hochdruckphasen als Ausgangsmaterialien für Ver­dichtungsexperimente zu verwenden, soll im Rahmen des FHP-Projektes Nr. 3 durch De­tonativsynthesen extrem feinkörniges Ausgangspulver dargestellt werden. Daneben wird an Pulversynthesen durch Gasphasenabscheidung gedacht.
  3. Erzeugung vorverdichteter Formkörper: Durch Sinterfahren, u.a. im Einzelprojekt Nr. 8, können durch Spark-Plasma-Sintern Formkörper als Augangsmaterialien hergestellt werden, die wie unter 6.4. beschrieben noch höheren Drücken ausgesetzt werden. Um möglichst gut vorverdichtete Materialien zur erhalten, können auch heiß- oder kaltgepresste Formkörper eingesetzt werden.
  4. Multi-Anvil-Hochdruck-Experimente: Mit Hilfe der im HBFG-Verfahren 2006 beantragten Multi-Anvil-Hochdruckpresse sollen die oben genannten Ausgangsmaterialien, bei denen es sich schon um Ultrahartstoffe bzw. neuartige Hochdruckphasen handeln kann, bei Drücken bis 20 GPa (200000 bar) und Temperaturen bis 2500°C verdichtet.
  5. Charakterisierung: Struktur (Spektroskopie, XRD, HR-TEM), Härte, E-Modul, werden am Institut und gemeinsam mit den Projektpartnern (insbesondere TP 3, 4, 6 und 7) untersucht.
  6. Umsetzung: Zur Entwicklung eines marktfähigen Produktes werden mit den Kollegen der Teilprojekte 5 und 6 Bohrtests durchgeführt. 

Interne und externe Kooperationen

Innerhalb des FHP sollen wie bereits unter Teil 6 erwähnt, vorverdichtete Materialien aus der Spark-Plasma-Sintering-Anlage sowie heißgepresste Proben Ausgangsmaterialien Verwendung finden. Daneben sollen – sofern sich stabile Formkörper herstellen lassen – diese mittels Split-Hopkinson-Untersuchungen im Rahmen des Projektes Nr. 6 mechanisch charakterisiert werden. Zur Analyse von Gefüge und Mikrostruktur Einsatz von XRD und TEM unverzichtbar (TP 7).
Außerhalb des FHP wird die Zusammenarbeit mit über das Projekt 5 mit Bohrwerkzeugherstellern angestrebt. Daneben sollen Kontakte zur Hartstoffindustrie intensiviert werden.

Trivia

Bereich: Institut für Anorganische Chemie
Teilprojektleiter: Prof. Dr. E. Kroke
Bearbeiter: Dr. Marcus Schwarz, Tatiana Barsukova