Mechanisch hochbelastbare Metalle (Carbometal). Schlussbericht des Teilvorhabens: Atomistische Simulation. Förderzeitraum: 01.03.2011 - 31.03.2013 (Deutsch)

IWM-Bericht , Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, BMBF-Forschungsbericht
; 2013
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Das im Rahmen der CNT-Initiative" geförderte CarboMetal-Projekt hat sich die Entwicklung neuartiger Hochleistungswerkstoffe mit verbesserten Eigenschaften zum Ziel gesetzt. Zu diesem Zweck sollen insbesondere Kompositmaterialien aus Carbon Nanotubes (CNTs) in einer Metallmatrix hergestellt und untersucht werden. Hinsichtlich der Optimierung der physikalischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Metall-Werkstoffe steht dabei vor allem das mechanische Verhalten im Vordergrund. Zur Erreichung bestmöglicher Materialeigenschaften ist vor allem eine gute und homogene Anbindung der CNTs an die Metallmatrix zu gewährleisten. Aus diesem Grund liegt eine der großen Herausforderungen des Projektes in der Kontrolle der physikalisch-chemischen Vorgänge an der Grenzfläche zwischen Metall und Kohlenstoffnanostrukturen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wechselwirkung von Cu mit unmodifiziertem Graphen bzw. unmodifizierten CNTs äußerst schwach ausgeprägt ist. Um eine gute Anbindung zu erzielen, ist daher auf jeden Fall eine Modifikation der Kohlestoffnanostrukturen erforderlich. Jedoch zeigt sich, dass die einfache Aufbringung funktioneller Gruppen wie OH, COOH und COH auf defektfreiem Graphen keine Verbesserung bringt, da diese Gruppen durch das Cu sehr leicht reduziert und damit von der Kohlenstoffoberfläche abgelöst werden. Die Modifikation durch Dotierung scheint hingegen ein sehr vielversprechender Weg zu sein, da hierbei besonders im Fall der Bor-Dotierung eine stark erhöhte Anbindungsenergie von Cu an das Graphen gefunden wurde. Gleiches gilt auch für Defekte auf Graphen/CNTs, die eine starke chemische Wechselwirkung mit Cu aufweisen. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass die Defekte selbst sehr leicht oxidiert werden und somit oxidierte Defekte betrachtet werden müssen, die allerdings immer noch eine gute Anhaftung von Cu vermitteln können, wie unsere Simulationen gezeigt haben.

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