Neue Nanostrukturierte Nitrid-Volumenhartstoffe

Die BMBF-geförderte Nachwuchsforschergruppe N³V beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer, binderfreier Hartstoffe für den Einsatz in der Metall- und Keramikbearbeitung sowie in der Rohstoffgewinnung.

Weitere Informationen zu den Forschungszielen und den Ergebnissen finden sie auf der N³V Projekt-Webseite.

Das Vorhaben wird aus Mitteln des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenprogramm "Vom Material zur Innovation" gefördert (Förderkennzeichen: 03XP0262).

Ansprechpartner

Dr. Kevin Keller

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Brennhausgasse 14 / Lessingstr. 45 (Hochdrucklabor)

Telefon +49 3731 39-2211
Kevin [dot] Keller [at] mineral [dot] tu-freiberg [dot] de

Entwicklung von Füllmaterialien und Oberflächenhüllmaterialien für Explosionsschutzmatten und -wände auf Basis neuartiger Verbundwerkstoffe

Sowohl bei der Kampfmittelbeseitigung als auch bei Abbruchsprengungen treten als unmittelbare Begleiterscheinung Gefahren durch eine Druckwelle infolge der Detonation, Sprengerschütterungen, Splitterflug, Erschütterungen durch Einsturz, Brand und Explosion auf. Deshalb müssen schutzbedürftige Güter in unmittelbarer Nähe des Sprengobjektes vor Zerstörung geschützt werden. Bei beiden Ereignissen muss die Einsatzstelle durch besondere Schutzmaßnahmen abgesichert werden. Zum Schutz der Bevölkerung und zur Sicherung von Gebäuden und sozioökonomischen und soziokulturellen Infrastrukturen legt der Sprengberechtigte einen Sicherheitsradius fest, in dem unter Umständen Gebäude evakuiert und Straßen abgesperrt werden.

Um bei einer Detonation das Ausbreiten der Druckwelle sowie von Splittern zu verhindern, werden die Sprengstellen mit unterschiedlichen Hilfsmitteln abgedeckt, wie Sprengmatten, Stroh, Papierballen, Sand(säcken), Dämmmatten, Betonblöcken oder wassergefüllten Behältern. Papier und Stroh sind meist gut zugänglich, haben eine sehr gute Dämmwirkung, aber sie sind leicht entzündlich. Steine, Betonblöcke und Wasserbehälter können Druck auf die Sprengsätze ausüben und eine vorzeitige Explosion auslösen.

Ziel des AiF-Forschungsverbundprojektes ist deshalb die Entwicklung mobiler, leichter und explosionsdruckstoßfester Materialien und modular aufgebauter Schutzelemente; ausgeführt als Explosionsschutzmatten und -taschen zur Bewahrung vor Verletzungen und Beschädigungen.

Weiteres Ziel ist die Entwicklung des Dämpfungsmaterials in Form von Schaumglas (offen- und geschlossenporig), welches bei Bedarf zur Erhöhung ihrer Effektivität zusätzlich mit Wasser intrudiert werden kann. Insbesondere KMU`s aus dem Bereich Materialherstellung (Garnhersteller, Weber, Beschichter, Konfektionäre) sowie Schaumglashersteller, aber auch Behörden (Kampfmittelbeseitigung), können neue Anwendungsfelder erschließen und ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern.

Projektpartner:

• Institut für Glas- und Glastechnologie
• Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V.
   

Ansprechpartner

Prof. Dr. Gerhard Heide

Universitätsprofessor

Brennhausgasse 14

Telefon +49 3731 39-2665
Gerhard [dot] Heide [at] mineral [dot] tu-freiberg [dot] de

Bestimmung dynamischer Werkstoffkenndaten

Gemeinsam mit der Nordmetall GmbH werden Werkstoffkenndaten und Zustandsänderungen von verschiedenen metallischen und keramischen Werkstoffen unter höchstdynamischen Belastungen bestimmt. Bei den Schockwellenversuchen werden mittels der VISAR-Technik Schock- und Materiegeschwindigkeiten bis in den Bereich mehrerer km/sec. gemessen, woraus sich die Zustandsparameter wie Druck, Dichte bzw. spezifisches Volumen unter diesen Bedingungen berechnen lassen.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Gerhard Heide

Universitätsprofessor

Brennhausgasse 14

Telefon +49 3731 39-2665
Gerhard [dot] Heide [at] mineral [dot] tu-freiberg [dot] de

• „NanoPD: Entwicklung innovativer Ultrapräzisionswerkzeuge mit ultraharten nano-polykristallinen Diamanten (NanoPD) aus der HP/HT-Direktsynthese als Schneidwerkstoff“, BMWi-Projekt ZIM ZF4097503GM8 (Laufzeit 2019-2021)
• „Untersuchung von Phasengleichgewichten im System Fe-N im GPa-Druckbereich" (Laufzeit 2018-2021)
• "Flintstone2020: Next generation of superhard non-CRM materials and solutions in tooling", EU-Projekt Horizon2020 689279 (Laufzeit 2016-2020)
• "Hochdruckdrehbeanspruchungsindizierte Phasenumwandlung in Titan und Titanlegierungen", DFG-Projekt (Laufzeit 2015-2020)
• "TRIP-Matrix-Composite - Design von zähen, umwandlungsverstärkten Verbundwerkstoffen und Strukturen auf Fe-ZrO₂-Basis, Teilprojekt: Grenzflächen und mikrostrukturbezogene Deformationsmechanismen in TRIP-Matrix-Verbundwerkstoffen", DFG-Projekt SFB 799 (Laufzeit 2008-2020)
• „BNNCut: Entwicklung innovativer Zerspannungswerkzeuge aus nanokristallinem, binderfreien Bornitrid („Bornitrid Nanocomposite“ - BNNC) zur Verbesserung der Oberflächenqualität und Erweiterung der Verfahrensgrenzen", BMWi-Projekt ZIM (Laufzeit 2016-2018)
• „Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie, Teilprojekt: Materialsynthese unter hohen Drücken“, DFG-Projekt SFB 1143 (Laufzeit 2015-2018)
• „BHMZ: Freiberger Biohydrometallurgisches Zentrum für strategische Elemente, Teilprojekt: Kinetics of leaching processes on natural and synthetic lead-zink-ores and related ore-minerals“, 2. Krüger-Forschungskolleg (Laufzeit 2013-2018)
• „Polymer-derived ceramic resistive heater“, CSC-Projekt 2010704015 (Laufzeit 2011-2018)
• „Nanoskalige anorganische Materialien durch molekulares Design: Neue Werkstoffe für zukunftsweisende Technologien, Teilprojekt: (Super)harte Nanokomposite“, DFG-Projekt SPP 1181 (Laufzeit 2005-2018)
• "CarboPaT: Structures, properties and reactions of carbonates at high temperatures and pressures", DFG-Projekt FOR2125 (Laufzeit 2015-2017)
• „Herstellung eines kompakten Sinterkörper aus Aluminiumnitrid mit Kochsalzstruktur (rs-AlN) zur Bestimmung materialspezifischer Eigenschaften“, BMWi-Projekt SIGNO (Laufzeit 2014-2015)
• „FHP: Freiberger Hochdruckforschungszentrum“, 1. Krüger-Forschungskolleg (Laufzeit 2007-2015)
• „Unkonventionelle Synthese von ternären und quaternären nanoskaligen Nitriden mittels Schockwellen (Synthese), Leuchtstoffwerk Breitungen GmbH“, Thüringer Aufbaubank 2011FE9045 (Laufzeit 2013-2014)
• „ADDE: Funktionales Strukturdesign neuer Hochleistungswerkstoffe durch Atomares Design und Defekt-Engineering, Teilprojekt: Neue Volumen-Hartstoffe“, Landesexzellenzinitiative (Laufzeit 2009-2014)
• „Strukturen und Eigenschaften von Kristallen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen, Teilprojekt: The System Si-Al-O-N at Extreme Pressures: A Synthetic and Computational Route to Novel Materials?“, DFG-Projekt SPP 1236 (Laufzeit 2006-2011)

The tooling that is built on critical and scarce raw materials (CRMs) occupies over 80 percent of the entire global tooling market just in metal cutting area. The CRM-containing tooling is divided into three major material groups: Cemented carbide, polycrystalline diamond and cBN, and tool steels, in the descending order of importance and CRM impact. Consequently, a huge consumption of tooling leads to significant use of these critical and scarce raw materials, tungsten and cobalt globally.

Flintstone2020 aims to provide a perspective for the replacement of two important CRMs – tungsten (W) and cobalt (Co) – which are the main constituents for two important classes of hard materials (cemented carbides/WC-Co, and PCD/diamond-Co), by developing innovative alternative solutions for tooling operating under extreme conditions in the following application areas:

1. Machining ferritic and perlitic materials (steels and irons);
2. Machining austenitic materials (stainless steels and superalloys); 
3. Machining titanium alloys and other special materials (composite materials); 
4. Machining martensitic materials (hardened steels); 
5. Cutting and processing rock and concrete.

In the project part of the TUBAF binder systems for the hard materials c-BN and diamond (nanocrystalline and/or (partly) amorphous) based on different (ceramic) sytstems and by different routes (polymer-ceramic route, classical powder route, chemical synthesis) were developed. Samples were produced by HPHT sintering and tested according their phase composition, microstructure, mechanical properties and interface and bonding between the hard phase and the binder.

Further Informations: Flintstone2020 webpage
Contact Person: Dr. Marcus Schwarz

Thema des Projekts ist die Synthese und Kristallzucht ausgewählter frustrierter magnetischer Materialien unter Hochdruck- und Hochtemperatur-Bedingungen. Wir werden uns auf solche Strukturklassen konzentrieren, die geometrische Frustration erwarten lassen, insbesondere Pyrochlore, Spinelle und Perowskit-Varianten, und werden dort sowohl bekannte Materialien herstellen als auch nach neuen Vertretern dieser Klassen suchen. Dabei sollen als magnetische Ionen seltene Erden, ausgewählte 3d-Elemente sowie schwere 5d-Übergangsmetalle mit starker Spin-Bahn-Kopplung wie Ir und Os verwendet werden.

Weiterführene Informationen: SFB 1143 Webseite
Ansprechpartner: Dr. Marcus Schwarz

Freiberger Biohydrometallurgisches Zentrum für strategische Elemente (BHMZ)

Das Ziel des Freiberger Biohydrometallurgischen Zentrums ist die Entwicklung einer Prozesskette zur Metallgewinnung aus Erzen, Halden und Recycling-Material. Mit Hilfe dieses Zentrums soll nicht nur die dauerhafte und sichere Verfügbarkeit von Metallen garantiert, sondern auch die Verschmutzung von Wasser, Böden oder Luft beim Bergbau vorgebeugt und der Energieverbrauch minimiert werden. An diesem Ziel arbeiten 13 Lehrstühle und insgesamt 15 Doktoranden sowie zahlreiche Mitarbeiter und studentische Hilfskräfte. Der Fokus der interdisziplinären Forschung liegt dabei auf den beiden Elementen Indium und Germanium.

Im Teilprojekt der Mineralogie wird dabei das Laugungsverhalten von sulfidischen Erzen in chemischen und biologischen Laugungsansätzen untersucht. Ziel ist ein besseres Verständnis der Auflösungsmechanismen, die auch der natürlichen Verwitterung zu Grunde liegen. Die Laugungsexperimente werden dabei mit natürlichen Blei-Zink-Erzen aus dem Erzgebirge (vorwiegend Sphalerit) und auch mit synthetischem Sphalerit durchgeführt. Die Erzeugung von bspw. Mit Indium dotierten, chemisch und strukturell gut charakterisierten Material erfolgt mittels Gasphasentransport und Hochdruck-Hochtemperaturbehandlung (Toroid-Presse).

Weitere Informationen: Teilprojektseite BHMZ
Ansprechpartner: Prof. Dr. Gerhard Heide

Polymer precursor derived ceramics resistive heater for multi-anvil and toroidal HP/HT experiments

Recently, numerous efforts have been made to significantly extend the pressure and temperature range as well as sample volume in high pressure high temperature (HP/HT) experiments, especially with the aim of opening up the research areas of geoscience and materials science. HP/HT apparatus thus becomes an important experimental tool of all above researches. There are various HP/HT apparatus which could achieve a range of pressures and temperatures with different sample sizes. Normally, relative large volume sample could be obtained by multi-anvil type and toroidal type HP/HT apparatus.

During the HP/HT experiments, the setup of the assembly will affect the results strongly. The assembly usually contains furnace (resistive heater and insulator), pressure medium and thermocouple etc. Among all the parts, furnace may be the most important part. Temperature increases when the electric current flows through the resistive heater. Hence the properties of the resistive heater are the concern of researchers.

The widely used materials for the resistive heater are graphite, high melting point metals, LaCrO₃ and some composites. However, graphite is limited to 10 GPa due to the transformation to diamond; doped diamond need more fabrication work; metals are usually expensive; LaCrO₃ has a high activation energy, which leads to difficult to “start” at room temperature; composites showed some good results, while the fabrication usually requires high temperature sintering in advance. Besides the materials selection, machinability is another consideration ingredient. The widely employed shape of the furnace in large volume HP/HT apparatus is tube like. Thus the tubular form of the resistive heater should be possible/easily to be machined.

To overcome the drawback of above, a new polymer-precursor-derived composite (PPDC) for resistive heater in HP/HT apparatus will be investigated, polymer-derived ceramics (PDCs) processing was used for the possibility of low fabrication temperature and easily manufacture. The processes and properties related to the preparation and HP/HT runs will be studied.

Contact: Dr. Marcus Schwarz

Die Institute für Anorganische Chemie, Prof. Kroke, und Mineralogie, Prof. Heide, waren am 21. und 22. April Gastgeber der DFG-Forschgruppe "CarboPaT". CarboPat steht für "Struktur, Eigenschaften und Reaktion von Carbonaten unter hohen Drücken und Temperaturen", Bedingungen, wie sie im Erdmantel herrschen.

Diese Arbeiten sind für das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislauf von großer Bedeutung: Welchen Beitrag hat z.B. die Subduktion von ozeanischen Platten und wie ist das Verhalten von CO2, Carbonaten und organischem Kohlenstoff unter Drücken von weit oberhalbe von 1GPa und Temperaturen oberhalb von 1000 Kelvin.

Die an der Forschergruppe beteiligten Wissenschaftler arbeiten an den Universitäten Frankfurt, Potsdam, Dortmund und Freiberg und an den Großforschungseinrichtungen DESY Hamburg, GFZ Potsdam und dem BGI Bayreuth. Tagungsort waren sowohl der Seminarraum des Forschungs- und Lehrbergwerks "Reiche Zeche" sowie der Seminarraum im Krüger-Haus. Der Leiter des Schockwellenlabors des Freiberger Hochdruckforschungszentrums (FHP) der Dr.-Erich-Krüger-Stiftung, Thomas Schlothauer, präsentierte die weltweit einmaligen Möglichkeiten der dynamischen Hochdrucksynthese in Freiberg.

Neben den Vorträgen und Diskussionen der 7 Arbeitsgruppen war der Direktor des US-amerikanischen Großforschungsprojekts Deep Carbon Observatory (DCO) Craig Manning Hauptvortragender diese 3. CarboPaT-Treffens.

Weitere Informationen: FOR 2125 Webseite
Ansprechpartner: Prof. Dr. Edwin Kroke, Prof. Dr. Gerhard Heide