TP3: Schockwellensynthese

Materialsynthese und Materialveränderung durch Schockwellen

 

Motivation

Unter den Hoch- und Höchstdruckverfahren zeichnen sich die schockwellenbasierten durch ihre kostengünstige und apparativ einfache Methodik aus, bei der größere Stoffmengen umgewandelt bzw. getestet werden können. Auf Grund der Sicherheitsbeschränkung wird diese Methode nur an zwei Standorten in Deutschland, den Fraunhoferinstituten in Freiburg und Pfinztal, praktiziert. International betreiben vor allem die USA, Russland und Japan solche Methoden, der Zugang ist entsprechend schwierig. Im Lehr- und Forschungsbergwerk "Reiche Zeche" und "Alte Elisabeth" der TU Bergakademie Freiberg besteht hochschulintern sehr günstig räumlich die Möglichkeit, entsprechende Versuche im großen Umfang durchzuführen. Die alternativ sich entwickelnde Methode der laserstrahlinduzierten Schockwellen erlauben zwar eine präzisere Kontrolle des Prozesses, haben aber den Nachteil, dass aufwendige Lasertechnik genutzt werden muss und die Probenmengen entsprechend klein sind. Die Anwendungen sind überwiegend grundlagenorientiert. Schockwellen finden in folgenden Bereichen Anwendung: 

  • Synthese von Hochdruckphasen
  • Zerkleinerungs- und Trennprozesse
  • Hochenergieumformung (Explosionsumformung)
  • Hochenergiefügens (Explosionsschweißen, Sprengplattieren)
  • Test von Werkstoffen und Bauteilen 

Am Standort Freiberg wurde vor längerer Zeit die Methode der Explosionsumformung industriell genutzt. Die IBExU GmbH (Institut für Sicherheitstechnik, Freiberg) hält zudem Erfahrungen und technische Möglichkeiten auf dem Gebiet der experimentellen explosionstechnischen Untersuchungen bereit. 

Eigene Vorarbeiten

Der Antragsteller hat im Lehr- und Forschungsbergwerk einen Schockwellenversuchsstand aufgebaut, eine erste Serie von Versuchen mit der flyer-plate-Methode läuft gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Kroke seit Oktober 2006 im Rahmen eines gemeinsamen DFG-Projektes zur Höchstdruck­synthese. In der Arbeitsgruppe von Prof. Krüger liegen zudem umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet der Hochenergieumformung vor. Auf dem Gebiet der Analyse nichtkristalliner Festkörper hat der Antragsteller seine Habilitaionsschrift verfasst. Hier liegen umfangreiche analytische Erfahrungen zur Charakterisierung von Phasen und Strukturen ohne bzw. mit gestörter Translationssymmetrie vor. 

Ziele

Der Antragsteller möchte eine für die TU Bergakademie neue experimentelle Methode aufbauen, die in der deutschen Hochschullandschaft einzigartig ist. Das Ziel ist zum einen, ein Labor für die Höchstdrucksynthese neuer Hartstoffe und Hochdruckphasen zu betreiben, zum anderen solle neue Technologien zur schockwelleninduzierten chemischen Oberflächen- und Gefügemodifizierung von Bauteilen entwickelt werden. 

Arbeitsprogramm

  1. Aufbau von flyer-plate-Versuchständen: Der vorhandene Versuchsstand muss erweitert und für die Messung keramikähnlicher Werkstoffe optimiert werden. Entsprechende Druck- und Temperatur­messtechnik muss aufgebaut und geeignete Kalibriermaterialien gefunden werden. Versuchsanordnung zur zusätzlichen Nutzung von Scherkräften sollen entwickelt werden.
  2. Synthese: Die Synthesen sollen zum einen als Vorstufe für die MAP-Technik (Prof. Kroke, TP 2) dienen, zum anderen sollen aus MAP-Experimenten erfolgreiche Stöchiometrien auf die technolgisch einfachere Schockwellensynthese übertragen werden. Die Spark Plasma Sintering Anlage (Prof. Seifert, TP 8) liefert andererseits großvolumige vorverdichtete Proben, die mit Schockwellen einer Höchstdruckumwandlung unterzogen werden sollen.
  3. Analyse: Die synthetisierten und modifizierten Materialien müssen mineralogisch nach ihrem Phasenbestand und ihrer Struktur analysiert werden. Zum Einsatz kommen vor allem die Röntgendiffraktometrie, Spektroskopie und Thermoanalyse. 

Interne und externe Kooperationen

Innerhalb des FHP werden Materialien aus der Spark-Plasma-Sintering-Anlage (Prof. Seifert, TP8) und von Precusoren (Prof. Kroke, TP2) weiterverarbeitet und stellt ein wichtiges Teilprojekten in der Kette der Werkstoffhersteller. Die Schockwellensynthese soll weiterhin genutzt werden um in der MAP (Prof. Kroke) erfolgreich synthetisierten Proben in größeren Mengen und kostengünstiger herzustellen.
Bei der Charakterisierung der Proben ist vor allem die Analyse der Mikrostruktur vor und nach der Belastung nur in Zusammenarbeit mit Prof. Rafaja (TP 7) sinnvoll. Andererseits wird die Arbeitsgruppe Phasen- und Strukturanalyse von Synthese- und Umwandlungsprodukte der gesamten Kollegs leisten. Für die Berechnung der Druckzustände während des Schockwellenversuchs ist die Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Konietzky (TP 4) notwendig und geplant. In der letzten Phase des Projektes sollen Material- und Bauteiltest unter praxisnahen Bedingungen in den Arbeitsgruppen von Prof. Reich (TP 5) und Prof. Krüger (TP 6). Stofflich-strukturelle Zuarbeit, Unterstützung und Erprobung ist für die Computeralgorythmen von Prof. Kortus (TP 1) vorgesehen. 
Außerhalb des FHP wird die Zusammenarbeit mit Fachleuten Schockwellenversuchständen wie dem IBExU, FhG für Chemische Technologien in Pfinztal und Ernst-Mach-Institut in Freiburg auf- bzw. ausgebaut.

Trivia

Bereich: Institut für Mineralogie
Teilprojektleiter: Prof. Dr. G. Heide
Bearbeiter: Thomas Schlothauer
assoziiertes Mitglied: Kevin Keller
Dissertation: "Schockwellensynthese und Charakterisierung von Aluminumnitrid mit Kochsalzstruktur" - (2013)