Computersimulationen zu strukturellen Phasenübergängen und Formgedächtnisverhalten auf Nanometerskala

In dieser Arbeit werden atomistische Computersimulationen zu strukturellen, das heißt martensitischen und austenitischen, Phasenübergängen in Eisen-Nickel- (FeNi) und Nickel-Titan-Legierungen (NiTi) vorgestellt. In NiTi sind diese Umwandlungen die Ursache für den Formgedächtniseffekt, bei dem ein inelastisch deformiertes System nach dem Erhitzen über eine bestimmte Umwandlungstemperatur seine ursprüngliche Form wieder annimmt.

In der Arbeit werden neben Simulationen mit periodischen Randbedingungen auch Nanopartikel im Bereich bis 20 Nanometer Durchmesser untersucht. Dabei stehen die Fragen nach der Abhängigkeit der Umwandlungstemperaturen von den Konzentrationen der Legierungspartner sowie von der Systemgröße im Vordergrund. Anhand lokaler struktureller Ordnungsparameter wird das Transformationsverhalten in atomistischer Auflösung analysiert, wodurch ein signifikanter Einfluss des hohen Oberflächenanteils der Nanosysteme deutlich wird. Dass sich dieser Einfluss auch auf das Formgedächtnisverhalten der Nanosysteme auswirken kann, wird durch die Simulation eines NiTi-Partikels gezeigt. Eine nach einer Zugbelastung zurückbleibende Deformation verschwindet bei Temperaturerhöhung, jedoch ohne dass eine Transformation zu einer Hochtemperaturphase stattfindet. Stattdessen tritt eine durch den großen energetischen Einfluss der Oberflächen induzierte Umorientierung von Varianten der Tieftemperaturstruktur auf. Dies wird in der Arbeit detailliert beschrieben und diskutiert.

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Die Fähigkeit eines Materials, nach inelastischer Verformung seine ursprüngliche Form durch Erhöhung der Temperatur zurückzugewinnen („Formgedächtniseffekt“), wird seit etwa 50 Jahren erforscht und auf makroskopischen Längenskalen in vielen Bereichen industriell angewendet. Im Zuge des Aufschwungs von Nanowissenschaften und -technologie stellt sich die Frage, ob der Formgedächtniseffekt auf atomaren Skalen auf analoge Art und Weise auftritt, und ob damit funktionelle Bauteile im Nanometerbereich möglich werden könnten, die diesen Effekt ausnutzen.

In diesem Werk wird solchen Fragen mithilfe atomistischer Computersimulationen nachgegangen. Auf eine Einführung in die Thematik des Formgedächtniseffekts und der zugrunde liegenden strukturellen („martensitischen“) Phasenübergänge folgt eine detaillierte Zusammenstellung der verwendeten Simulationsmethode („Molekulardynamik“). Anschließend werden die Modellpotentiale vorgestellt, mit denen die beiden in diesem Werk betrachteten Legierungssysteme Eisen-Nickel (FeNi) und Nickel-Titan (NiTi) simuliert werden konnten. Der methodische Teil endet mit der Beschreibung verschiedener Möglichkeiten zur strukturellen Analyse der Systeme.

Im zentralen Teil des Werks werden die durchgeführten Simulationen beschrieben und die Ergebnisse diskutiert. Sowohl für FeNi als auch für NiTi wurden zunächst Systeme mit periodischen Randbedingungen simuliert, die einen strukturellen Phasenübergang bei Erhöhung der Temperatur zeigen. Eine Erklärung der abnehmenden Übergangstemperaturen mit wachsenden Nickel-Konzentrationen kann für NiTi mithilfe energetischer Betrachtungen auf eine Destabilisierung des Gitters zurückgeführt werden.

Durch die Verwendung freier Randbedingungen konnten die strukturellen Umwandlungen in Partikeln mit Durchmessern im Bereich weniger Nanometer untersucht werden. Der Transformationsmechanismus zwischen Tief- und Hochtemperaturstruktur zeigt dabei deutlich ein durch die Oberfläche beeinflusstes Verhalten. Die lineare Abnahme der Übergangstemperaturen mit dem inversen Partikeldurchmesser führt für NiTi zu der Vorhersage einer minimalen Teilchengröße von etwa 3 Nanometern, unterhalb der keine stabile Tieftemperaturphase mehr vorliegen kann.

Anhand eines NiTi-Modellsystems wurde das Formgedächtnisverhalten im Nanometerbereich untersucht. Dazu wurde an ein aus mehreren Orientierungsvarianten einer Tieftemperaturphase bestehendes Partikel eine Kraft angelegt, die das System auseinanderzog. Nach einem elastischen Bereich orientieren sich dabei die Varianten um, was zu einer zurückbleibenden Dehnung nach Abschalten der Kraft führt. Während dieser Effekt dem bekannten Verhalten makroskopischer Formgedächtnissysteme entspricht, zeigt sich eine Zurückbildung der Dehnung bei Temperaturerhöhung, die sich vom „klassischen“ Formgedächtnisverhalten unterscheidet. Bei diesem ereignet sich die „Formerinnerung“ nach einer strukturellen Umwandlung in die Hochtemperaturphase. Durch den hohen Oberflächenanteil des Nanopartikels dagegen orientieren sich hier lediglich die Varianten der Tieftemperaturstruktur zurück in die Ausgangskonfiguration, was zum Verschwinden der Dehnung führt.