Fabrication and thermo-mechanical behavior of nanoporous copper

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

Organisationseinheiten

Abstract

Nanoporöse Materialien haben großes Potential für zukünftige Anwendungen. Ausschlaggebend dafür sind die überragenden Eigenschaften dieser neuartigen und weitgehend unerforschten Materialklasse, wie etwa das hohe Oberflächen-Volumen-Verhältnis, Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, die elektrische und thermische Leitfähigkeit, oder die hohe Bestrahlungsbeständigkeit. Dieses Eigenschaftsprofil kann dazu verwendet werden, um strukturelle Stabilität mit spezieller Funktionalität im selben Material zu paaren. Für einen zukünftigen Einsatz ist es aber notwendig, Informationen über den Herstellungsprozess, die thermo-mechanischen Eigenschaften und das plastische Verformungsverhalten zu sammeln. Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Herstellung von nanoporösem Kupfer, die Untersuchung der thermo-mechanischen Eigenschaften und das Identifizieren der Verformungsmechanismen bei erhöhten Temperaturen. Die Materialsynthese umfasste Hochdruck-Torsion zur Herstellung eines Nanokomposites, gefolgt von Wärmebehandlungen und selektivem Lösen zur Herstellung von porösem Kupfer. Rasterelektronenmikroskopie wurde zur Identifikation der Porenmorphologie eingesetzt. Nanoindentierung bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen diente zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften und Identifikation der dominierenden Verformungsmechanismen. In dieser Diplomarbeit wurde erfolgreich Nanoindentierung bei erhöhten Temperaturen an nanoporösem Kupfer durchgeführt und eine Härte von 220 MPa bei Raumtemperatur gemessen. Während der Messungen bei erhöhten Temperaturen ist es durch unerwartete Oxidation des nanoporösen Kupfers zum Anstieg der Härte auf etwa 1 GPa gekommen. Es wurde ein Modell zur Abschätzung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Oxidation entwickelt. Die Dehnratenabhängigkeit des nanoporösen Kupfers unterscheidet sich kaum von ultrafeinkörnigem Massivkupfer. Obwohl es durch Oxidation zur Bildung von harten Kupferoxiden an der Oberfläche kam, war die plastische Verformung des darunterliegenden Kupfers der dehnratenbestimmende Prozess. Ein Anstieg der Dehnratenabhängigkeit mit Erhöhung der Temperatur, vergleichbar mit dem von ultrafeinkörnigem Kupfer, wurde ermittelt. Dieser kann mit der Zunahme von thermisch aktivierten Prozessen an Korngrenzen erklärt werden. Einblicke in das Verformungsverhalten konnten durch die Berechnung des Aktivierungsvolumens gewonnen werden. Dabei zeigte sich, dass die Verformung durch die Oxidation wesentlich beeinflusst wird. Die Oxidschicht, welche das Austreten von Versetzungen an der Oberfläche verhindert, führte zu einem Abfall des Aktivierungsvolumens von ~ 800 b^3 auf ~ 50 b^3. Diese grundlegenden mechanistischen Einblicke sollen zu einem besseren Verständnis des Verformungsverhaltens von nanoporösen Materialen auf mikroskopischer Ebene beitragen.

Details

Titel in ÜbersetzungHerstellung und thermo-mechanisches Verhalten von nanoporösem Kupfer
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung13 Dez. 2013
StatusVeröffentlicht - 2013