2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16045Das Ziel der hier beantragten Arbeit ist es, das mechanische Verhalten superkristalliner keramisch-organischer Bulk-Nanokompositmaterialien zu erforschen. Letztere bestehen aus anorganischen, üblicherweise kristallinen, Nanopartikeln, deren Oberfläche mit anorganischen Liganden funktionalisiert ist und die, analog zu atomaren Gittern, in periodischen Strukturen aufgebaut sind. Diese Materialien repräsentieren ein wachsendes Feld der Materialwissenschaft und des Nanoengineerings, welches Anwendungsgebiete in der Optoelektronik, Plasmonik und Sensorik sowie bei magnetischen Materialien, Batterie-Elektroden, Katalysatoren aufweist. Ihr Potential für strukturelle Anwendungen ist bislang jedoch wenig erforscht, obwohl für Keramik-basierte superkristalline Bulk-Materialien vermehrt vielversprechende mechanische Eigenschaften entdeckt werden.Eine effektive Methode zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften besteht in der Quervernetzung zwischen organischen Ketten, die in der Oberfläche der keramischen Nanopartikel verankert sind. Dies schränkt die Beweglichkeit der anorganischen Basiskomponenten untereinander ein und führt nicht nur zu hoher Festigkeit, Härte und Steifigkeit, sondern auch zu signifikanten Veränderungen des Deformationsverhaltens unter Belastung. Vorausgehende Untersuchungen weisen auf die simultanen Effekte von Materialverdichtung, einer Art plastischer Deformation und extrinsischer Verfestigungsmechanismen hin. Außerdem wurden Defekte beobachtet, die typischerweise in kristallinen Materialien vorkommen, wie zum Beispiel interstitielle Defekte, Stapelfehler, Versetzungen und Scherbänder.Der Zusammenhang zwischen dem mechanischen Verhalten und lokalen nanostrukturellen Deformationen ist bisher ungeklärt, und soll in dem vorliegenden Antrag als zentrale Fragestellung aufgegriffen werden. Dazu soll zunächst das Spannungs-Dehnungs- und Kriechverhalten superkristalliner Materialien mit unterschiedlichen Graden an Quervernetzung der organischen Liganden bestimmt werden. Gleichzeitig werden die durch die Materialverarbeitung und -belastung erzeugten Defekte und Deformationen charakterisiert. Die ausgewählten Methoden beinhalten Nanoindentation mit verschiedenen Spitzen zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens der superkristallinen Materialien, sowie Atomkraftmikroskopie und Elektronenmikroskopie zur Abbildung von Fehlstellen wie Punktdefekten, Versetzungen und inter-superkristalliner Korngrenzen. Indem die klassischen Theorien zur Aktivierung von Gleitsystemen, Dehnungs- und Spannungsfeldern um Liniendefekte und Versetzungsgleiten angewandt und adaptiert werden, wird versucht die kontinuumsmechanisch ausgewerteten experimentellen Ergebnisse zu erklären. Abschließend soll der Zusammenhang zwischen Materialherstellung und -verarbeitung sowie superkristalliner Struktur und mechanischen Eigenschaften abgeleitet werden.The proposed work aims at elucidating the mechanical behavior of bulk supercrystalline ceramic-organic nanocomposites. These are materials that consist of inorganic, usually crystalline, nanoparticles, surface-functionalized with organic ligands, and assembled into periodic structures, analogous to atomic lattices. They represent a rising field of materials science and nanoengineering, which has been finding applications in optoelectronics, plasmonics, magnetic materials, battery electrodes, catalysts and sensors. Their use for structural purposes is however largely unexplored, even if promising mechanical properties have started to emerge in bulk ceramics-based supercrystalline materials.An effective way to enhance their mechanical properties has been found in inducing crosslinking among the organic chains that are anchored to the ceramic nanoparticles’ surfaces. This limits the mobility of the inorganic building blocks with respect to each other, leading not only to high values of strength, hardness and stiffness, but also to significant changes in the materials’ behavior under loading. Preliminary work points towards the concurrent effects of material compaction, plastic-like deformation and extrinsic toughening mechanisms. Defects remindful of the ones typically observed in crystalline materials – such as interstitials, stacking faults, dislocations and shear bands – have also been detected.The interconnections among mechanical behavior and the local nanostructure deformations are yet to be clarified, and this is what the present proposal aims at tackling. For materials with various degrees of crosslinking of the organic ligands, the stress-strain relationships, creep and compressibility behavior are to be derived. In parallel, the defects and deformations induced by both material processing and mechanical loading will be characterized. The methods of choice involve nanoindentation with various tips, for the derivation of the materials’ constitutive response, and atomic force and electron microscopy for the visualization of imperfections, from point-defects to dislocations and inter-supercrystalline boundaries. Together with their empirical evaluation, the connections between supercrystalline deformations and overall mechanical behavior will be modeled by applying and adapting the classic theories from the literature on slip systems activation, strain and stress fields around line defects, and dislocation glide. The correlations between material processing, supercrystalline structure and mechanical properties will then be inferred.