The effect of the heating rate on the phase selection in Al/Ni multilayers

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Heizraten bis 10⁶ K/s auf die Bildung von intermetallischen Phasen in Al/Ni-Multilagen. Das Ziel ist ein mechanismenbasiertes Verständnis der Phasenbildungprozessen als Grundlage für die Entwicklung von neuartigen Nano-Kompositmaterialien. Für diesen Zweck wird eine in situ Untersuchungsmethode entwickelt, die eine thermodynamische und strukturelle Charakterisierung während der schnell ablaufenden Reaktionen ermöglicht. Durch die Kombination von chipbasierter Nanokalorimetrie mit Synchrotron-Röntgenbeugung wird eine Zeitauflösung von 15 μs erreicht. Drei Aspekte von Al/Ni-Reaktionen werden in dieser Arbeit detailliert untersucht: (i) die Festkörperreaktionen bei Heizraten unter 500 K/s, (ii) das Zündverhalten des Materialsystems und (iii) die Phasenbildung bei selbstfortschreitenden Reakionen. In Abhängigkeit von der Heizrate und der Temperatur kann gezielt die Bildung von Al₉Ni₂, Al₃Ni und Al₃Ni₂ iniitiert werden. Erstmalig wird der Zündpunkt von Al/Ni-Multilagen auf thermodynamischer Grundlage bestimmt und darauf basierend ein neues Kriterium für die Zündtemperatur abgeleitet. Es werden drei verschiedene Arten von selbsfortschreitenden Reaktionen beobachtet: (i) Flüssigphasen-Umwandlung, (ii) Flüssigphasen-Umwandlung mit Zwischenschicht und (iii) Festkörper-Umwandlung. Die Letztere kann zum ersten Mal in Multilagenmaterialien nachgewiesen werden.