Die in dieser Vorlesung behandeltenMaterialien unterscheiden sich von den „klassischen“ Werkstoffen durchihre individuelle hierarchische Mikrostruktur. Beim klassischen Gefügedesignwird z.B. durch Wärmebehandlung und gleichzeitige mechanische Verformung dieMorphologie des Gefüges eingestellt. Das Material wird schrittweise durchkleine Veränderungen der Struktur oder der chemischen Zusammensetzung auchunter Ausnutzung von Selbstorganisationsprozessen (Ausscheidungslegierungen,Glaskeramiken, eutektische Gefüge) kontinuierlich und stetig optimiert. Dievorgestellten Materialien bestehen aus funktionalisierten elementarenFunktionseinheiten basierend auf Polymer, Keramik, Metall und Carbon Nanotubes(CNT), aus denen makroskopische hierarchische Materialsysteme erzeugt werden,deren charakteristische Längen von der Nanometer- bis zur Zentimeterskalareichen. Diese elementaren Funktionseinheiten sind durch Kern-Schale-Strukturenoder durch in Metallen mittels Legierungskorrosion erzeugte, mit Polymerengefüllte Hohlräume gegeben. Dabeiwerden drei Klassen von Materialsystemen vorgestellt: Zum einen handelt es sich um hierarchisch strukturierteKeramik/Metall-Polymer-Materialsysteme ähnlich den natürlichen VorbildernPerlmutt (1 hierarchische Ebene), Zahnschmelz (3 hierarchische Ebenen) oderKnochen (5 hierarchische Ebenen). Ausgehend von einer elementarenFunktionseinheit bestehend aus einem von einer Polymerhülle umgebenenkeramischen Nanoteilchen, resultiert ein Material, in dem auf allenhierarchischen Ebenen alternierend „harte“ Teilchen, bestehend aus der jeweilsniedrigeren hierarchischen Ebene, von weichen Polymeren umgeben sind. Diedadurch auf jeder hierarchischen Ebene erzeugte Kern-Schale-Struktur ist dergrundsätzliche Unterschied zu einem Verbundwerkstoff mit einem starreninterpenetrierenden keramischen oder metallischen Netzwerk. Das zweite vorgestellte Materialsystembasiert auf nanoporösem Gold, das als Prototypmaterial für neuartige Bauteileim strukturellen Leichtbau mit gleichzeitig aktorischen Eigenschaftenvorgestellt wird. Behandelt werden die Materialherstellung und die darausresultierenden skalenspezifischen mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus wirdin die damit verbundenen skalenübergreifende theoretischen Modelle zummechanischen Verhalten eingeführt. Dies beinhaltet den gesamten Skalenbereichvon der elektronischen Struktur auf atomarer Skala bis hin zu zentimetergroßen,makroskopischen Probekörpern. Neuartigehierarchische nanostrukturierte Materialsysteme auf der Basis von thermischstabilen Keramiken und Metallen für die Photonik bei hohen Temperaturen mitAnwendungsperspektiven für thermophotovoltaische Systeme (TPV) und ThermalBarrier Coatings (TBC) sind der dritte Werkstoffbereich der Vorlesung.Insbesondere sind hier direkte und invertierte 3D-photonischeKristallstrukturen (PhK) und neuartige optisch hyperbolische Medien zu nennen.Die PhK weisen aufgrund ihrer Periodizität und des Brechungsindexkontrasteseine photonische Bandstruktur auf, die mit photonischen Bandlücken, mitBereichen besonders hoher photonischer Zustandsdichten und mit speziellenDispersionsrelationen einhergeht. Die dargestellten Eigenschaften sollen hiergenutzt werden, um in TBCs thermische Strahlung stark und gerichtet zureflektieren bzw. um in TPV-Systemen Strahlung effektiv und effizient zukoppeln. |
