Onderzoeksproject P7/21 (Onderzoeksactie P7)
De algemene ambitie van dit project is bij te dragen tot het beter begrijpen (en voorspellen) van de interacties op verschillende lengteschalen tussen grensvlakken in materialen, evenals het begrijpen en voorspellen van de daaruit resulterende macroscopische vervormings- en falingsmechanismen. Hierop kan dan worden verder gebouwd voor de ontwikkeling van nieuwe materialen met uitmuntende structurele eigenschappen. Het relevante onderzoeksdomein gerelateerd aan dit project situeert zich op de grens tussen de materiaalkunde en de mechanica van de vaste stof. Eén van zijn belangrijkste drijvende krachten is de vaststelling dat de wetenschappelijke en technologische vooruitgang die wereldwijd recent geboekt is in de ontwikkeling van nano-gestructureerde materialen, in het bijzonder met betrekking tot ultra-harde materiaalsystemen, nu verder moet worden geïntegreerd in een meer hiërarchische aanpak van de globale materiaalstructuur, waar de aanwezigheid van verschillende lengteschalen bijkomende structurele vrijheidsgraden kan bieden. Dit is een absolute noodzaak voor de implementatie van een zogenaamde multi-eigenschappen gerichte visie op materialen, wetende dat een verscheidenheid aan mechanische eigenschappen enkel samen kan worden verbeterd indien ook meer macroscopische lengteschalen correct worden ingeschat en ontworpen Temidden van de velerlei materiaalkenmerken die het mechanisch gedrag van materialen kunnen helpen modifiëren en optimiseren nemen grensvlakken een erg bepalende rol in, bv. in de vorm van korrel-, tweeling- en fazegrenzen, of ook in de vorm van oxides gevormd aan het materiaaloppervlak. Het is inderdaad de combinatie en interactie van deze verschillende interne en externe grensvlakken, meer nog dan de eigenlijke chemische samenstelling, die het vervormings- en falingsmechanisme van materialen initieert, stuurt en bijstuurt. De focus in dit project zal liggen op mechanische eigenschappen zoals sterkte, ductiliteit, breuk, kruip, vermoeiing en slijtageweerstand van metallische systemen met een hoge dichtheid aan grensvlakken op verschillende lengteschalen. Waar relevant zullen ook metallisch-organische grensvlakken worden beschouwd. Het onderzoek omhelst zowel 3D bulk materialen als systemen met een gereduceerde dimensie in de vorm van dunne filmen of nanodraden. Enkele belangrijke wetenschappelijke aandachtspunten hebben betrekking op het belang van het snelheidsafhankelijk gedrag en de tegenspanning die het gevolg is van een overvloed aan grensvlakken, de spanning/rek gedreven formatie en mobiliteit van deze grensvlakken, de interacties met de elementaire atomistische vervormingsmechanismen en met de scheurvormingsmechanismen, en de resulterende schaaleffecten. Met deze ambitie moet het mogelijk zijn om te achterhalen op welke manier grensvlakken het best kunnen worden georganiseerd doorheen de verschillende beschikbare lengteschalen in hiërarchisch opgebouwde materialen. De praktische realisaties zullen bestaan uit de ontwikkeling van voorspellende modellen en van verbeterde verwerkingsstappen evenals uit verbeterde karakterisatiemethoden voor de ontwikkelde nieuwe materialen met verbeterde eigenschappen.
De meer specifieke doelstellingen hangen samen met de aard van de verschillende grensvlakken, waaruit op natuurlijk wijze de volgende verschillende werkpakketten (WP) van het project voortvloeien:
Statische and dynamische grensvlakken, zoals korrel- en fazegrenzen, vervormingstweelingen. De doelstelling hier is om de interacties tussen interne grensvlakken en elementaire vervormingsmechanismen te karakteriseren, te begrijpen alsook te modelleren. De belangrijkste wetenschappelijke uitdagingen omhelzen de structuur op atomaire schaal van deze verschillende grensvlakken, de interactiemechanismen tussen dislocaties en tweelingen enerzijds, en korrel-, fazen- of tweelinggrenzen anderzijds, de interacties tussen al deze verschillende grensvlaktypes, de mechanismen van spannings- of rekgeïnduceerde grensvlakmigratie en –evolutie, de daaruit resulterende vervormingssnelheidsafhankelijkheid, zogenaamde tegenspanning- en geometrische schalingseffecten, alsook de complexe relatie met betrekking tot het macroscopische impact op de sterkte, ductiliteit en taaiheid van het materiaal.
Gelokaliseerde vervormingsbanden en scheuren, bv. (adiabatische) afschuifbanden, grensvlak- en vermoeiingsscheuren. De doelstelling hier is het karakteriseren, begrijpen en modelleren van de interacties tussen elementaire vervormingsmechanismen enerzijds en gelokaliseerde vervormingsbanden en scheuren anderzijds, evenals het ontstaan zelf van deze laatste en hun macroscopische impact op de sterkte, ductiliteit, het vermoeiings- en slijtagegedrag.
Graduele en gearchitectureerde grensvlakken. Hier worden gebieden bedoeld met een geleidelijke overgang in microstructuur, zoals in korrelgrootte, twee-fazen gebieden, textuur, verstevigingsprecipitaten, dislocatiedichtheden of vaste oplossingen. Het objectief is het karakteriseren, begrijpen en modelleren van het effect van dergelijke microstructurele gradiënten in hiërarchische materialen met de bedoeling het macroscopisch mechanisch gedrag (sterkte, ductiliteit, vermoeiing en slijtage) te optimaliseren.
Naast de bovenvermelde onderzoekstaken, bedoeld om nieuwe fundamentele inzichten te verschaffen, zal een bijkomende doelstelling erin bestaan om deze inzichten te gebruiken om te bepalen op welke manier alle relevante grensvlakken op een optimale manier kunnen worden opgebouwd en ingepast op verschillende lengteschalen, om aldus te komen tot mechanisch performantere materialen. Hierbij zal in eerste instantie worden uitgegaan van een aantal welgekende mechanische kenmerken van belang in specifieke toepassingen. In een specifiek transversaal werkpakket zal dan de optimale globale structuur worden bepaald volgens een ontwerp gestuurde materiaalkeuze.
Voor het karakteriseren van de complexe interacties tussen defecten en grensvlakken, welke zowel op atomair niveau als op grotere dimensies kunnen plaatshebben, is een gamma aan geavanceerde experimentele technieken vereist. Daarnaast zijn ook nieuwe constitutieve modelformuleringen nodig die in staat zijn grensvlakken te duiden op basis van fysische en micromechanische kenmerken. Hierbij aansluitend dienen numerieke methoden te worden ontwikkeld of verbeterd om de verschillende lengteschalen alsook de (veranderende) grensvlakken te beschrijven. Om aan deze bijkomende uitdagingen tegemoet te komen zullen de partners van het IAP-netwerk hun verschillende bestaande expertises met betrekking tot geavanceerde karakterisatie- en synthesetechnieken alsook modellering en code-ontwikkeling, met elkaar delen en verder ontwikkelen. Hieruit volgen dan een aantal tranversale werkmethodes die hieronder kort worden beschreven.
Verschillende model materialen zullen worden aangemaakt met zowel een 2D als een 3D structuur. De aanmaak van 2D systemen omhelst de depositie van dunne filmen en multilagen aan de hand van CVD, PVD, ALD, ‘laser cladding’ en ‘smelting’, alsook anodisatietechnieken. Binnen eenzelfde materiaalcompositie zijn bijkomende vrijheidsgraden de aanwezigheid en aard van precipitaten, tweelingen of vaste oplossingen, en het gebruik van zachte polymeer of nanoporeuze lagen, al dan niet gestructureerd met FIB of via lithografische weg. Voor de 3D structuren zal het accent liggen op ultrafijnkorrelige materialen, geproduceerd aan de hand van intense en snelle vervormingsmethodes zoals ECAP, dynamische torsie, ‘friction stir’ processen, explosieve vormingsprocessen, cumulatieve ‘roll bonding’ (cumulatief verbinden door walsen), dit alles met bijkomende macrolithografie of legeringsuitloging.
Karakterisatie- en testmethoden omvatten verschillende in-situ mechanische testen gekoppeld aan TEM of synchrotron- en neutronendiffractie, microdiffractie en tomografie, oppervlakteanalyses, in-situ inwendige spanningsmetingen tijdens dunne film depositie, X-stralen CT scans, kristallografische cartografie via EBSD in een SEM, on-chip mechanische testen van (geoxideerde) dunne filmen, nano-indentatie en nano-scratching, nanoDMA, grensvlakscheur- en vermoeiingstesten, en ten slotte ook meer klassieke statische en dynamische mechanische testen.
De geavanceerde micromechanische constitutieve modellen, die al in het verleden door verschillende partners zijn uitgewerkt en geïntegreerd werden in multidimensionele modelleringsstrategieën, zullen nu worden uitgebreid om op een correcte manier schalings- en tegenspanningseffecten, alsook thermisch geactiveerde fenomenen te beschrijven. De hoekstenen voor dergelijke modellen zijn continuum- of kristalplasticiteitstheorieën die hogere orde gradiënten tolleren, en op hun beurt gevoed worden door lagere orde moleculaire of discrete dislocatie dynamica. Daarnaast zullen ook verbeterde numerieke oplossingsmethodes nodig zijn voor de implementatie in eindige elementencodes en dit met de bedoeling om lengteschalen tot op het macro-niveau te overspannen en aldus het effect van statische, dynamische, graduele grensvlakken en oppervlakken te kunnen voorspellen op de macroscopische sterkte, ductiliteit, taaiheid en slijtage. Tot slot zal met bijkomende ontwikkelingen worden getracht om dynamische grensvlakken te laten bewegen of op te breken, en ook de contactmechanica bij slijtage en krastesten te modelleren.
De uiteindelijke motivatie voor dit onderzoek is dat een afdoend antwoord op voorliggende vragen direct zal kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen met een verbeterde structurele performantie. Op lange termijn staat onze economische ontwikkeling voor kritische en dringende uitdagingen wat betreft het beheersen van energie- en mineraalstromen, en de daaruit afgeleide milieuaspecten van afvalverwerking en productrecyclage. Hoog-performante materialen met verbeterde eigenschappen gaan hand in hand met het meer efficiënte gebruik van natuurlijke rijkdommen, veiligere en meer betrouwbare toepassingen, en een langere levensduur van de systemen waarin dergelijke materialen zijn verwerkt. Als voorbeeld kan hier worden vermeld dat de transportsector steeds streeft naar lichtere en veiligere materialen, dat deklagen meer slijtagevast moeten worden om langer hun beschermend karakter te behouden, dat de productie, opname, opslag en recuperatie van energie materialen vereist die erg uiteenlopende eigenschappen dienen te combineren, veelal op hoge temperatuur, en ook dat micro-elektronische en micro-elektromechanische componenten meer betrouwbaar dienen te worden.
Voorliggend project zal worden uitgevoerd door een levendig en erg interactief onderzoeksnetwerk van 5 Belgische en 4 internationale partners die al geruime tijd op een erg productieve wijze lange termijn samenwerkingsverbanden onderhouden. In totaal gaat het om (voor de Belgische partners alleen) een 20-tal leden van het zelfstandig academisch personeel, 120 onderzoeksmedewerkers, zowel op doctoraal als post-doctoraal niveau, en 35 leden van het technisch-administratief personeel. Om de focus op de wetenschappelijke uitdagingen en vraagstellingen te houden, eerder dan op techniek- of methode-expertises, zal met name op de (verticale) werkpakketten worden geconcentreerd die het effect van de verschillende soorten grensvlakken verder dienen uit te diepen. Een dergelijke verticale aanpak moet de interacties bevorderen tussen zowel de experimenteel geschoolde onderzoekers in het domein van de synthese, karakterisatie en testontwikkeling, als de meer theoretische experten op het gebied van numerieke en modelleringstechnieken. Op die manier wordt een multidisciplinaire aanpak gestimuleerd, wat in termen van verwachtte wetenschappelijke output zowel het meest uitdagend als voldoening gevend zou moeten zijn. Wat de werkverdeling betreft geldt als vuistregel dat elk werkpakket 3 deelpakketten heeft, elk daarvan typisch uitgevoerd door 2 tot 4 onderzoekers van tenminste 3 verschillende partners. Via de eigenlijke projectfinanciering zullen ongeveer 15 voltijds equivalenten worden ondersteund, wat neerkomt op ongeveer de helft van de mankracht die nodig is om de projectdoelstellingen waar te maken. Co-financiering met andere middelen moet borg staan voor de andere helft. Alle taken zullen starten tijdens jaar 1 of 2 en lopen gedurende 4 of 5 jaar. De activiteiten van het onderzoeksnetwerk omvatten eveneens doctoraats- en postdoctorale vorming, disseminatie- en zichtbaarheidscampagnes.
