ERC NanoHighSpeed

Übersicht

Bei dem ERC Projekt NanoHighSpeed sollen als erstes Messmethoden zur Untersuchung von Materialeigenschaften bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten entwickelt werden. Diese unterstützen bei der Entwicklung neuer Materialien, welche Belastungen bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten besser standhalten sollen. Auf lange Sicht ergeben sich so sicherheits- und umweltrelevante, sowie ökonomische Vorteile. Zur Untersuchung wird das Prinzip der Nanoindentation genutzt. Dabei handelt es sich um eine Technologie, die Forschenden ermöglicht, mechanische Eigenschaften eines Werkstoffs im Maßstab von Nano- und Mikrometern zu messen. Allerdings ist sie aktuell nur dazu imstande, mechanische Eigenschaften bei niedrigen Belastungsgeschwindigkeiten zu bestimmen, nicht jedoch bei Einschlägen oder Kollisionen. Zurzeit können Forschende hohe Dehnungsgeschwindigkeiten nur bei großen, einheitlichen Proben reproduzieren. Das EU-finanzierte Projekt NanoHighSpeed zielt darauf ab, die Nanoindentation zu einem neuen Instrument für Experimente mit hohen Dehnungsgeschwindigkeiten weiterzuentwickeln – das Ganze mittels innovativer Hardware und neuartigen experimentellen Methoden. Das Ziel ist eine Charakterisierung von Werkstoffen bei Dehnungsgeschwindigkeiten, die Millionen Male höher sind, verglichen mit der konventioneller Nanoindentierung. Zusätzlich entsteht die Möglichkeit, Größenmaßstäbe zu untersuchen, welche Millionen Male kleiner sind, als aktuell durch vergleichbare makroskopische Methoden. Dadurch lassen sich vor allem dünne Materialsysteme bei großen Belastungsgeschwindigkeiten charakterisieren. Beispiele dafür sind der Aufschlag vom Smartphone-Display auf den Boden oder schnell drehende und beschichtete Werkzeuge wie Fräser und Bohrer, welche einer hohen Belastungsgeschwindigkeit ausgesetzt sind.

Mehr dazu

Wissen bezüglich der Materialeigenschaften bei Hochgeschwindigkeitsverformungen ist aufgrund der experimentellen Herausforderungen kaum vorhanden. Dabei ist klar, dass die Geschwindigkeit einen deutlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben kann. Ein bekanntes Beispiel sind die krz Metalle, die einen spröd-duktil Übergang aufweisen. Dieser ist von der Temperatur, aber auch von der Dehnrate abhängig. Bei sehr hohen Dehnraten werden thermisch aktivierte Prozesse unterdrückt, wodurch beispielsweise auch Verzwillingung als Verformungsmechanismus auftreten kann. Allerdings fehlen Untersuchungen auf der Mikroskala, um Einflüsse der Mikrostruktur zu erforschen, oder dünne Beschichtungen zu testen. Mittels Nanoindentierung soll dies in diesem Projekt ermöglicht werden. Dazu wird ein „Ultra high strain rate“ Nanoindenter-Prototyp auf Basis eines Grundsystems der Firma Alemnis AG entwickelt, welcher Dehnraten von > 10⁵ s^-1 ermöglichen soll. In Kombination mit einer neuen Auswertemethode von Merle, Higgins und Pharr [1] werden kürzlich entdeckte Fehler, welche die klassische Oliver-Pharr Methode bei hohen Dehnraten mit sich bringt, vermieden. Diese neue Methode soll auf verschiedenste etablierte Experimente, wie zum Beispiel Mikrosäulendruckversuche oder sphärische Indentierung angewendet werden.

Publikationen

1. J. Wang, E. Kang, U. Sultan, B. Merle, A. Inayat, B. Graczykowski, G. Fytas, N. Vogel. Influence of Surfactant-Mediated Interparticle Contacts on the Mechanical Stability of Supraparticles (2021) Journal of Physical Chemistry C, 125, pp. 23445-23456. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c06839

2. S. Gabel, B. Merle, E. Bitzek, M. Göken. A new method for microscale cyclic crack growth characterization from notched microcantilevers and application to single crystalline tungsten and a metallic glass (2022) Journal of Materials Research, 37(12), pp. 2061-2072. https://doi.org/10.1557/s43578-022-00618-x

3. S. Gabel, S. Giese, R.U. Webler, S. Neumeier, M. Göken. Microcantilever Fracture Tests of α‐Cr Containing NiAl Bond Coats (2022) Advanced Engineering Materials, 24(7), pp. 2101429. https://doi.org/10.1002/adem.202101429 

4. J. Winczewski, M. Herrera, C. Cabriel, I. Izeddin, S. Gabel, B. Merle, A. Susarrey Arce, H. Gardeniers. Additive Manufacturing of 3D Luminescent ZrO2: Eu3+ Architectures (2022) Advanced Optical Materials, 10(12), pp. 2102758. https://doi.org/10.1002/adom.202102758 

5. E. Bykova, E. Johansson, M. Bykov, S. Chariton, H. Fei, S.V. Ovsyannikov, A. Aslandukova, S. Gabel, H. Holz, B. Merle, B. Alling, I.A. Abrikosov, J.S. Smith, V.B. Prakapenka, T. Katsura, N. Dubrovinskaia, A.F. Goncharov, L. Dubrovinsky. Novel Class of Rhenium Borides Based on Hexagonal Boron Networks Interconnected by Short B2 Dumbbells (2022) Chemistry of Materials, 34(18), 8138-8152. https://doi.org/10.1039/D2TA02268K 

6. L. A. Morales, A. Bezold, A. Foerner, H. Holz, B. Merle, S. Neumeier, C. Koerner, C.H. Zenk. Influence of Cu Addition and Microstructural Configuration on the Creep Resistance and Mechanical Properties of an Fe-Based α/α’/α’’ Superalloy (2023) Advanced Engineering Materials, 25(9), 202201652. https://doi.org/10.1002/adem.202201652 

7. N. Sommer, A. Bauer, M. Kahlmeyer, T. Wegener, S. Degener, A. Liehr, A. Bolender, M. Vollmer, H. Holz, S. Zeiler, B. Merle, T. Niendorf, S. Böhm. High-Throughput Alloy Development Using Advanced Characterization Techniques During Directed Energy Deposition Additive Manufacturing (2023) Advanced Engineering Materials, 25,  pp. 202300030. https://doi.org/10.1002/adem.202300030

8. H. Khanchandani, S. Zeiler, L. Strobel, M. Göken, P. Felfer. A Carbon-Stabilized Austenitic Steel with Lower Hydrogen Embrittlement Susceptibility (2023) Steel research international, pp. 202300372, https://doi.org/10.1002/srin.202300372

9. J.P. Winczewski, S. Zeiler, S. Gabel, A. Susarrey-Arce, J.G.E. Gardeniers, B. Merle. Exploring the mechanical properties of additively manufactured carbon-rich zirconia 3D microarchitectures (2023) Materials & Design, 232, 112142. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112142 

10. H. Holz, B. Merle. Novel nanoindentation strain rate sweep method for continuously investigating the strain rate sensitivity of materials at the nanoscale (2023) Materials & Design, 236, pp. 112471. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112471

11. J. P. Winczewski, S. Zeiler, S. Gabel, D. Maestre, B. Merle, J.G.E. Gardeniers, A.S. Arce. Additive manufacturing of 3D yttria-stabilized zirconia microarchitectures (2024) Materials & Design, 238, pp. 112701. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112701

12. B. Merle, C.C. Walker, C.H. Zenk, G.M. Pharr. High strain rate persistence of the strength anomaly in the L12 intermetallic compound Ni3Si evidenced by nanoindentation testing (2025) Acta Materialia, 284, pp. 120598. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120598

13. H.C. Howard, W.S. Cunningham, A. Genc, B.E. Rhodes, B. Merle, T.J. Rupert, D.S. Gianola. Chemically ordered dislocation defect phases as a new strengthening pathway in Ni–Al alloys (2025) Acta Materialia, 289, pp. 120887. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120887

14. B. Merle, G. Tiphéne, G. Kermouche. Extending nanoindentation testing toward extreme strain rates and temperatures for probing materials evolution at the nanoscale (2025) MRS Bulletin, 50, pp. 705. https://doi.org/10.1557/s43577-025-00918-7