2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15812Viele Materialphänomene werden entscheidend durch die Wechselwirkung zwischen Chemie und Mechanik bestimmt. Die allgemeingültige Formulierung einer Theorie für diese Wechselwirkung geht auf eine bahnbrechende Arbeit zur Elastizität offener Systeme von Francis Larché und John W Cahn in den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts zurück. Eine zentrale Schlussfolgerung der Theorie ist, dass das gekoppelte chemo-elastische Gleichgewicht im Grenzfall kleiner Dehnung auf ein klassisches Problem der Kontinuumsmechanik zurückgeführt werden kann, wenn im Hookeschen Gesetz die klassischen elastischen Konstanten für feste Zusammensetzung durch neue elastische Parameter offener Systeme ersetzt werden. Diese Parameter enthalten die Information über die Wechselwirkung zwischen der chemischen Zusammensetzung und der mechanischen Spannung im thermodynamischen Gleichgewicht bei konstantem chemischem Potenzial. Die Larché-Cahn Theorie ist explizit oder implizit Bestandteil vieler moderner Modellierungsansätze in der Materialwissenschaft; in der Literatur findet sich jedoch keine direkte experimentelle Überprüfung, und insbesondere sind die Vorhersagen der Theorie für die elastischen Parameter offener Systeme bislang nicht im Experiment überprüft. Diese Parameter können jedoch hoch interessant sein, da sie - der Theorie zufolge - stark von denjenigen bei konstanter Konzentration abweichen können, da sie hochgradig nichtlinearer in Dehnung und Konzentration sind, und da ihre Zahlenwerte zudem an kritischen Punkten der Mischungslücke im Legierungsphasendiagramm divergieren können. Vor diesem Hintergrund verfolgt das vorliegende Forschungsprogramm die beiden folgenden Ziele: Erstens soll die Theorie von Larché und Cahn durch erstmalige experimentelle Bestimmung der elastischen Parameter offener Systeme als Funktion der Zusammensetzung einer Modelllegierung mit Zwischengitter-Fremdatomen und Vergleich mit den Vorhersagen verifiziert werden. Zweitens soll ein Materialdesign demonstriert werden, das auf den Befunden der Theorie beruht und es erstmals erlaubt, bei laufendem Betrieb über elektrische Signale die elastische Steifigkeit eines Metalls in weiten Bereichen zu schalten. Im Idealfall soll es dabei auch möglich sein, die Steifigkeit weitgehend Richtung Null zu schalten.Als origineller Ansatz soll als Modellmaterial nanoporöses Palladium eingesetzt werden, bei dem eine externe Last Biegemomente auf die nanoskaligen Streben ausübt und sich eingebauter Wasserstoff bei zyklischer Belastung innerhalb von Millisekunden zwischen der Zug-und der Druckfaser der Streben umverteilt. Dynamisch mechanische Analyse dient zur Messung des Elastizitätsmoduls, elektrochemische Potenzialkontrolle zur schnellen, präzisen und reversiblen Steuerung des Wasserstoffgehalt.Many materials phenomena are governed by the coupling between chemistry and mechanics. The general theory of the action of that coupling in materials was exposed in the 1970s through the seminal work by Francis Larché and John W Cahn on the elasticity of open systems. As a central conclusion of that theory, the coupled chemo-mechanical equilibrium in the limit of small strain can be projected onto a classic problem of continuum mechanics, provided that the classic elastic constants for constant composition of Hooke’s law are replaced by new, open system elastic parameters. These parameters contain the information on the interaction between composition and stress at thermodynamic equilibrium and subject to constant chemical potential. Explicitly or implicitly, the Larché-Cahn theory is contained in many modern approaches at materials modeling. Yet, no direct experimental verification has been published. Specifically, the theory predictions for the elastic parameters of open systems have not been verified by experiment. These parameters can – according to the theory – be highly interesting because they can deviate strongly from the classic elastic constants at constant composition, because they are highly nonlinear in strain and concentration, and because there numerical values can diverge at critical points of the miscibility gap in alloy phase diagrams.With an eye on the above statements, the proposed research pursues the following twofold aim: Firstly, using a model alloy, we aim at verifying the theory of Larché and Cahn through experimental determination of the open system elastic parameters as the function of the composition. Secondly, we aim to demonstrate a materials design which exploits the results of the theory for achieving – for first time – operando tuneability of elastic stiffness in a wide interval. Ideally, it should be possible to reversibly switch the stiffness almost all the way to zero and back to the pure-metal value.As an original approach, we propose to use nanoporous palladium as the model material. External load induces bending moments on the nanoscale struts that define the microstructure. Hydrogen in the Pd crystal lattice redistributes within milliseconds between the tensile and compressive fiber of the struts. Dynamic mechanical analysis will be used for measuring the effective, macroscopic Young’s modulus, and electrochemical potential control affords fast, precise and reversible control over the hydrogen content.