1. Beim feldaktivierten Sintern im Temperaturbereich von 500 bis 1000 °C fließen elektrische Ströme mit einer Dichte von 1 bis 3 A/mm². 2. Daraus folgt für die größten verwendeten Pulverteilchen mit einem Radius von 50 µm ein Strom je Teilchenkontakt von 10 bis 50 mA. 3. Die durch das Aufbringen des prozesstechnisch notwendigen Pressdruckes gebildeten relativen Kontaktradien (Kontaktradius geteilt durch Teilchenradius) haben eine Größe von 0,05 bis 0,3. 4. Die Einengung der Strompfade im Kontakt der Pulverteilchen erhöht, zusammen mit dem elektrischen Widerstand der Oxidschicht auf den Pulverteilchen, den elektrischen Widerstand des Pulverpresslings. 5. Der Stromfluss durch die Teilchenkontakte führt mit dem zusätzlichen elektrischen Widerstand dieser Teilchenkontakte zu einer lokalen Temperaturerhöhung (Übertemperatur) von 10-4 bis 1 Kelvin für Kupfer- respektive Stahlpulver. 6. Der zusätzliche elektrische Widerstand der Oxidschicht kann die Übertemperatur beim Kupferpulver auf bis zu 1 mK erhöhen. 7. Mit abnehmendem Teilchenradius sinkt die Übertemperatur quadratisch. 8. Das Wachstum der Teilchenkontakte im Verlauf der Verdichtung führt zu einer kontinuierlichen Verringerung der Übertemperatur. 9. Das Auftreten von schmelzflüssiger Phase, von Metalldampf oder von Plasma wird in den untersuchten metallischen Systemen ausgeschlossen. 10. Auch Elektromigration, Thermomigration oder andere Wirkungen des elektrischen Stromes spielen keine Rolle für die Verdichtung beim feldaktivierten Sintern. 11. Die Verwendung von gepulstem anstelle von kontinuierlichem Gleichstrom beeinflusst die Verdichtung der untersuchten Werkstoffe nicht. 12. Die Verdichtung vom Pulver zum kompakten Werkstoff findet für Pulverteilchen mit einem Radius größer als R = 10 µm über plastische Verformung durch verschiedene Formen des Kriechens statt. 13. Die Verformung ist im Anfangsstadium auf den Kontaktbereich begrenzt. 14. Bei Pulverteilen mit Teilchenradien unter R = 10 µm findet die Verdichtung zunächst als Folge von Leerstellenströmen in die Kontaktkorngrenze statt (Sintern). 15. Durch die schnelle Verdichtung bei niedriger homologer Temperatur werden Kornwachstum und Rekristallisation verringert.

High hardness and good wear resistance have been revealed for the high-entropy alloy (HEA) system AlCoCrFeNiTi, confirming the potential for surface protection applications. Detailed studies to investigate the microstructure and phase formation have been carried out using different production routes. Powder metallurgical technologies allow for much higher flexibility in the customisation of materials compared to casting processes. Particularly, spark plasma sintering (SPS) enables the fast processing of the feedstock, the suppression of grain coarsening and the production of samples with a low porosity. Furthermore, solid lubricants can be incorporated for the improvement of wear resistance and the reduction of the coefficient of friction (COF). This study focuses on the production of AlCoCrFeNiTi composites comprising solid lubricants. Bulk materials with a MoS2 content of up to 15 wt % were produced. The wear resistance and COF were investigated in detail under sliding wear conditions in ball-on-disk tests at room temperature and elevated temperature. At least 10 wt % of MoS2 was required to improve the wear behaviour in both test conditions. Furthermore, the effects of the production route and the content of solid lubricant on microstructure formation and phase composition were investigated. Two major body-centred cubic (bcc) phases were detected in accordance with the feedstock. The formation of additional phases indicated the decomposition of MoS2.

1. Beim feldaktivierten Sintern im Temperaturbereich von 500 bis 1000 °C fließen elektrische Ströme mit einer Dichte von 1 bis 3 A/mm². 2. Daraus folgt für die größten verwendeten Pulverteilchen mit einem Radius von 50 µm ein Strom je Teilchenkontakt von 10 bis 50 mA. 3. Die durch das Aufbringen des prozesstechnisch notwendigen Pressdruckes gebildeten relativen Kontaktradien (Kontaktradius geteilt durch Teilchenradius) haben eine Größe von 0,05 bis 0,3. 4. Die Einengung der Strompfade im Kontakt der Pulverteilchen erhöht, zusammen mit dem elektrischen Widerstand der Oxidschicht auf den Pulverteilchen, den elektrischen Widerstand des Pulverpresslings. 5. Der Stromfluss durch die Teilchenkontakte führt mit dem zusätzlichen elektrischen Widerstand dieser Teilchenkontakte zu einer lokalen Temperaturerhöhung (Übertemperatur) von 10-4 bis 1 Kelvin für Kupfer- respektive Stahlpulver. 6. Der zusätzliche elektrische Widerstand der Oxidschicht kann die Übertemperatur beim Kupferpulver auf bis zu 1 mK erhöhen. 7. Mit abnehmendem Teilchenradius sinkt die Übertemperatur quadratisch. 8. Das Wachstum der Teilchenkontakte im Verlauf der Verdichtung führt zu einer kontinuierlichen Verringerung der Übertemperatur. 9. Das Auftreten von schmelzflüssiger Phase, von Metalldampf oder von Plasma wird in den untersuchten metallischen Systemen ausgeschlossen. 10. Auch Elektromigration, Thermomigration oder andere Wirkungen des elektrischen Stromes spielen keine Rolle für die Verdichtung beim feldaktivierten Sintern. 11. Die Verwendung von gepulstem anstelle von kontinuierlichem Gleichstrom beeinflusst die Verdichtung der untersuchten Werkstoffe nicht. 12. Die Verdichtung vom Pulver zum kompakten Werkstoff findet für Pulverteilchen mit einem Radius größer als R = 10 µm über plastische Verformung durch verschiedene Formen des Kriechens statt. 13. Die Verformung ist im Anfangsstadium auf den Kontaktbereich begrenzt. 14. Bei Pulverteilen mit Teilchenradien unter R = 10 µm findet die Verdichtung zunächst als Folge von Leerstellenströmen in die Kontaktkorngrenze statt (Sintern). 15. Durch die schnelle Verdichtung bei niedriger homologer Temperatur werden Kornwachstum und Rekristallisation verringert.

In this study, the wear behaviour of a powder metallurgically produced AlCoCrFeNiTi0.5 high-entropy alloy (HEAs) is investigated at elevated temperatures. Spark plasma sintering (SPS) of inert gas atomised feedstock enables the production of dense bulk material. The microstructure evolution and phase formation are analysed. The high cooling rate in the atomisation process results in spherical powder with a microstructure comprising two finely distributed body-centred cubic phases. An additional phase with a complex crystal structure precipitates during SPS processing, while no coarsening of microstructural features occurs. The wear resistance under reciprocating wear conditions increases at elevated temperatures due to the formation of a protective oxide layer under atmospherical conditions. Additionally, the coefficient of friction (COF) slightly decreases with increasing temperature. SPS processing is suitable for the production of HEA bulk material. An increase in the wear resistance at elevated temperature enables high temperature applications of the HEA system AlCoCrFeNiTi0.5.

Hochentropielegierungen stellen einen neuen Entwicklungsansatz metallischer Werkstoffe ohne ein eigenschaftsbestimmendes Hauptelement dar. Die zielgerichtete Übertragung der bisher überwiegend an Massivwerkstoffen ermittelten Eigenschaften in die Beschichtungstechnik erfordert die Kenntnis der bestimmenden Einflussfaktoren. Für die Schichtherstellung werden die Verfahren des thermischen Spritzens betrachtet. Hierfür wird eine geeignete Prozessroute ermittelt. Die detaillierten Untersuchungen zu den Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erfolgen an Legierungen mit variabler Struktur. Diese werden anhand von thermodynamischen Parametern sowie Untersuchungen an schmelzmetallurgisch hergestellten Massivwerkstoffen ausgewählt. Zur Bewertung des Einflusses der Größe der Strukturmerkmale, der Heterogenität und möglicher Ungleichgewichtszustände werden schmelz- und pulvermetallurgisch hergestellte Massivwerkstoffe als Referenz betrachtet. Die geplanten Forschungsarbeiten tragen zu einem Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung von Hochentropielegierungen bei. Weiterhin wird eine geeignete Prozessroute für die pulvermetallurgische Verarbeitung sowie für Anwendungen in der Oberflächentechnik ermittelt.

Am Beispiel von ferroelektrischen Systemen auf Bismut-Basis (Bismutmolybdat, Bismutwolframat und Bismuttitanat) und von Strontiumbariumniobat werden neue Möglichkeiten zur Synthese solcher Nanopartikel aufgezeigt. Die Integration der Nanopartikel in transparente Nanokompositmaterialien und die Entwicklung neuer Precursoren für die Herstellung von Dünnschichtproben gehen den Untersuchungen zur Anwendung als elektrooptische aktive Materialien voraus. Durch weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Photokatalyse, dem Test dampfadsorptiver Eigenschaften mit Hilfe eines neuartigen Adsorptionstesters (Infrasorb) und auch mit Hilfe der Ergebnisse der ferroelektrischen Charakterisierung von gesinterten Probenkörpern aus einem Spark-Plasma-Prozess wird ein gesamtheitlicher Überblick über die vielfältigen Aspekte in der Arbeit mit nanoskaligen, ferroelektrischen Materialien gegeben.

Am Beispiel von ferroelektrischen Systemen auf Bismut-Basis (Bismutmolybdat, Bismutwolframat und Bismuttitanat) und von Strontiumbariumniobat werden neue Möglichkeiten zur Synthese solcher Nanopartikel aufgezeigt. Die Integration der Nanopartikel in transparente Nanokompositmaterialien und die Entwicklung neuer Precursoren für die Herstellung von Dünnschichtproben gehen den Untersuchungen zur Anwendung als elektrooptische aktive Materialien voraus. Durch weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Photokatalyse, dem Test dampfadsorptiver Eigenschaften mit Hilfe eines neuartigen Adsorptionstesters (Infrasorb) und auch mit Hilfe der Ergebnisse der ferroelektrischen Charakterisierung von gesinterten Probenkörpern aus einem Spark-Plasma-Prozess wird ein gesamtheitlicher Überblick über die vielfältigen Aspekte in der Arbeit mit nanoskaligen, ferroelektrischen Materialien gegeben.:Inhaltsverzeichnis...........................................................................................................5 Abkürzungsverzeichnis ...................................................................................................9 1. Motivation....................................................................................................................11 2. Stand der Forschung und theoretischer Teil ...............................................................14 2.1. Nanoskalige Materialien...........................................................................................15 2.1.1. Nanopartikel und Nanokompositmaterialien ....................................................... 15 2.1.2. Dünnschichten..................................................................................................... 21 2.1.3. Anwendungen in der Photokatalyse.................................................................... 22 2.1.4. Anwendungen in der Gas- und Dampfsensorik.................................................... 24 2.2. Ferroelektrika .........................................................................................................26 2.2.1. Bismutmolybdat................................................................................................... 32 2.2.2. Bismutwolframat.................................................................................................. 34 2.2.3. Bismuttitanat ....................................................................................................... 36 2.2.4. Strontiumbariumniobat......................................................................................... 37 2.3. Verwendete Methoden.............................................................................................40 2.3.1. Spark-Plasma-Sintering ........................................................................................40 2.3.2. Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ...................................................... 42 2.3.3. Charakterisierung nichtlinearer, elektrooptischer Eigenschaften......................... 43 3. Experimenteller Teil ....................................................................................................51 3.1. Synthesevorschriften................................................................................................52 3.1.1. Verwendete Chemikalien und Substrate.............................................................. 52 3.1.2. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................... 55 3.1.3. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)............................................... 56 3.1.4. Präparation von Bi2MO6/PLA Nanokompositmaterialien (M = Mo, W) ................... 57 3.1.5. Sol-Gel-Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Ba0.25Sr0.75Nb2O6 und Dünnschichten..................... 57 3.1.6. Mikroemulsionssynthese von Bi4Ti3O12 ............................................................... 59 3.1.7. Sol-Gel-Synthese von Bi2Ti2O7............................................................................. 60 3.1.8. Synthese von BiOH(C2O4), BiOCH3COO und Bi(CH3COO)3................................... 61 3.2. Vorschriften zur Durchführung und Charakterisierung...............................................62 3.2.1. Verwendete Geräte und Einstellungen ................................................................ 62 3.2.2. Spark Plasma Sintering von Bi2MO6 (M = Mo,W) und Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ........................ 65 3.2.3. Prüfung elektrooptischer Eigenschaften, Präparation der Bauteile und Messaufbau .............................................. 67 3.2.4. Durchführung photokatalytischer Messungen ....................................................... 69 3.2.5. Messung der Dampfadsorption an Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ........................................... 70 4. Ergebnisse und Diskussion...........................................................................................71 4.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................72 4.1.1. Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W) Nanopartikeln................................................. 72 4.1.2. Nanokompositmaterialien mit Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................ 81 4.1.3. Synthese der Bismuttitanate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................... 84 4.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 ................. 88 4.2. Funktion der nanoskaligen Materialien .....................................................................100 4.2.1. Bismuthaltige Nanopartikel in der Photokatalyse ..................................................100 4.2.2. Spark-Plasma-Sintern von Bi2MO6-Nanopartikel (M = Mo, W)................................103 4.2.3. Elektrooptische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien ............................................................108 4.2.4. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ............114 4.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3....................................118 5. Zusammenfassung ......................................................................................................127 6. Ausblick .......................................................................................................................131 7. Literatur ......................................................................................................................132 8. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ..........................................................................146 8.1. Abbildungsverzeichnis...............................................................................................146 8.2. Tabellenverzeichnis...................................................................................................152 9. Anhang ........................................................................................................................154 9.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................155 9.1.1. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).....................................................155 9.1.2. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).................................................156 9.1.3. Synthese der Bismutmolybdate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................156 9.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 .................159 9.2. Funktion der nanoskaligen Materialien ......................................................................164 9.2.1. Spark-Plasma-Sintern..............................................................................................164 9.2.2. Elektro-optische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien .........................................................166 9.2.3. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ...........174 9.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3.....................................175 9.3.1. DTA-TG-Ergebnisse .................................................................................................175 9.3.2. Kristalldaten und Strukturverfeinerung ...................................................................177 9.4. Quelltexte ..................................................................................................................181 9.4.1. MATLAB-Skript zur Auswertung elektrooptischer Koeffizienten................................181 9.4.2. MATLAB-Skript zur Auswertung dampfadsorptiver Eigenschaften............................182