Die vorliegende Arbeit beschreibt die Ergebnisse der Synthese und Charakterisierung der Hochdruckphase von Aluminiumnitrid mit Kochsalzstruktur (rs-AlN). Die Versuche wurden mittels Schockwellensynthese unter Verwendung der „flyer-plate-Methode“ mit anschließender Probenrückgewinnung durchgeführt. Für verschiedene Aluminiumnitridpulver mit einer Ausgangsporosität k = rho_solid/rho_porous von 1,5 bis 2,5 wurde bei einem Druck von 15 bis 43 GPa die Phasenumwandlung von der Wurtzitstruktur (w-AlN) in die Kochsalzstruktur (rs-AlN) bewirkt. Es ist damit erstmals gelungen, rs-AlN mit dynamischen HP-HT-Methoden herzustellen und damit Probenmengen im Milligramm- bis Grammbereich zu erhalten. Dadurch ist es möglich Untersuchungen durchzuführen, die zur weiteren Erforschung und Charakterisierung des Materials beitragen sollen. Im Fokus liegen dabei insbesondere die Untersuchung der mechanischen, thermischen und chemischen Stabilität, um die Eignung des Materials zur Herstellung ultraharter Komposite zu evaluieren. Die geschockten Pulver bestehen aus einem Phasengemisch aus dem Ausgangsmaterial (w-AlN), der Hochdruckphase (rs-AlN), Aluminiumoxid und -oxynitriden, sowie amorphen Aluminiumhydroxiden. Die höchste Ausbeute an rs-AlN (~41 Ma% bei 2 mm Probenhöhe) kann bei Drücken von 24 GPa und einer Ausgangsporosität k von 2,1 erhalten werden. Anhand dem Auftreten verschiedener Al-O-N Phasen kann die Schocktemperatur für die einzelnen Versuche abgeschätzt werden (<1700 °C bis <2000 °C). Die Phasenumwandlung wird durch die Temperaturerhöhung aufgrund der Schockkompaktion der Pulver aktiviert. Als entgegenwirkender Prozess wurde die thermisch aktivierte Rückwandlung in die Niederdruckphase w-AlN aufgrund einer zu hohen Post-Schocktemperatur und einem zu langsamen Abkühlen der Probe postuliert. Daraus ergibt sich eine optimale Temperatur für den Versuchsaufbau von 1700 bis 1900 °C, bei der die höchsten rs-AlN Anteile beobachtet wurden. Eine Verringerung der Probenhöhe erhöht den Einfluss von Mehrfachreflektionen in der Probe und trägt damit zur Verbesserung der Umsetzung bei. Für drei Nanopulver (Kristallitgröße <25 nm) wurde die teilweise Umwandlung in die Kochsalzstruktur beobachtet, wohingegen für ein gröberes Nanopulver und ein Submikropulver (Kristallitgröße >45 nm) kein rs-AlN in den geschockten Proben nachgewiesen werden konnte. Es wird ein Stabilisierungsmechanismus der Kochsalzstruktur durch Kristallitgrößeneffekte vorhergesagt. Die Verringerung der Kristallitgröße führt zur Herabsetzung des Umwandlungsdrucks w-AlN -> rs-AlN. Es lässt sich daher schlussfolgern, dass für kleinere Partikel die Hochdruckmodifikation aufgrund der geringeren Entfernung vom chemischen Gleichgewicht bei Normalbedingungen stabilisiert werden kann, wohingegen für größere Kristallite die Rückwandlung in die Ausgangsphase geschieht. Weitere Stabilisierungsmechanismen wurden diskutiert. Mithilfe einer Rietveld-Verfeinerung der Röntgendiffraktogramme wurde die Gitterkonstante des rs-AlN mit a = 4,044 ± 0,001 Å und die Kristallitgröße mit 15,3 ± 0,2nm bestimmt. Die mittels hoch-aufgelöster Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestimmte Kristallitgröße (10 bis 20 nm) ist in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Rietveld-Verfeinerung. Mit 27Al Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) wurde die oktaedrische Al–N-Umgebung (AlN6) mit einer korrigierten chemischen Verschiebung von 2 ppm nachgewiesen. Anhand der IR-Spektren wird eine Al–N-Schwingungsbande des rs-AlN bei ca. 490 cm−1 vermutet. Dynamisch-thermische Untersuchungen zeigen, dass nanokristallines rs-AlN bei 600 °C beginnt zu Aluminiumoxid zu oxidieren und damit keine größere Beständigkeit im Vergleich zum w-AlN zeigt. Die thermisch aktivierte Rückwandlung des rs-AlN in die Niederdruckphase wurde ab 1200 °C (in Argon) bzw. 1100 °C (im Vakuum) bei einer Heizrate von 10 K/min beobachtet. Eine gute chemische Beständigkeit des Aluminiumnitrid mit Kochsalzstruktur gegenüber Wasser, Natronlauge und Säuren (HCl, H2SO4, H3PO4, HNO3 und Königswasser) wurde in Langzeit-Löslichkeitsversuchen nachgewiesen.:1. Einleitung 2. Grundlagen 3. Methoden und experimentelle Details 4. Ergebnisse 5. Diskussion 6. Schlussfolgerungen und Ausblick / In the present work the results of the synthesis and characterisation of the high-pressure phase of aluminium nitride with rocksalt structure (rs-AlN) are presented. The experiments were carried out with the flyer-plate-method with subsequently sample recovery. For different aluminium nitride powders with starting porosities k = rho_solid/rho_porous of 1.5 to 2.5 the phase transition from wurtzite structure (w-AlN) to the rocksalt structure (rs-AlN) was induced at a pressure of 15 to 43 GPa. This is to our knowledge the first succesful synthesis of rs-AlN with dynamic HP-HT methods. With this advance, samples in the milligram or gram range can be produced. Therefore further investigations to characterise the material are possible, especially the study of the mechanical, thermal and chemical stability to validate the potential for the production of ultrahard composites. The shocked samples consist of a phase mixture from the starting material (w-AlN), the high-pressure phase (rs-AlN), aluminium oxide and oxynitrides, as well as amorphous aluminium hydroxides. The highest yield of rs-AlN (~41 wt% at 2 mm sample height) can be obtained at a pressure of 24 GPa and a starting porosity k of 2.1. The shock temperature can be estimated by the formation of different Al-O-N phases (<1700 °C to <2000 °C). The phase transition is activated by the raise of temperature due to shock compression. A thermal activated reconversion to the low-pressure phase w-AlN caused by a high post-shock temperature and a slow cooling of the sample is postulated as a contrary process. This results in an optimum temperature of 1700 to 1900 °C for this set-up. A decrease of the sample height increases the influence of multiple reflections and therefore causes a better transformation. A partial conversion to rs-AlN was observed for three nanopowders (crystallite size <25 nm), whereas for a more coarse nanopowder and an submicronpowder (crystallite size >45 nm) no rs-AlN could be found in the shocked samples. A stabilisation mechanism of the rocksalt phase by crystallite size effects is predicted. The reduction of the crystallite size causes a decrease of the transition pressure for w-AlN -> rs-AlN. It can be concluded, that for smaller particles the high-pressure phase can be stabilised at ambient conditions on the basis of the smaller distance from equilibrium, whereas for larger particles the reconversion to the low-pressure phase occurs. By a Rietveld refinement of the X-ray diffractograms, the lattice constant of rs-AlN and the crystallite size was determined to be a = 4.044 ± 0.001 Å respectively 15.3 ± 0.2 nm. The crystallite size of rs-AlN (10 to 20 nm) determined with high-resolution transmission electron microscopy (TEM) is in good agreement with the results of the Rietveld refinement. The octahedral Al–Npolyhedral (AlN6) was demonstrated by 27Al nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) with a corrected chemical shift of 2 ppm. Based on infrared spectroscopy (FTIR) an AlN vibration band at about 490 cm−1 is assumed. Dynamic thermal analysis show, that the rs-AlN starts to oxidise to alumina at 600 °C and thus have no greater resistance in comparison with w-AlN. The thermal activated reconversion of rs-AlN to the low-pressure phase starts at 1200 °C (in argon) respectively 1100 °C (under vacuum) at a heating rate of 10 K/min. The aluminium nitride with rocksalt structure shows a good chemical resistance against water, caustic soda and acids (HCl, H2SO4, H3PO4, HNO3 and aqua regia).:1. Einleitung 2. Grundlagen 3. Methoden und experimentelle Details 4. Ergebnisse 5. Diskussion 6. Schlussfolgerungen und Ausblick

In dieser Arbeit werden folgende Arbeiten vorgestellt: ● Aufbau eines Schockwellenlabors für unterschiedliche Einsatzzwecke für eine Nettoexplosivmasse von bis zu 20 kg, bezogen auf NSH 711 (C4 nach MIL-Standard), ● Klärung der Ursachen des Probenverlustes bei Schockwellensyntheseexperimenten ab Überschreitung eines gewissen materialabhängigen Grenzdruckes unter Verwendung von in der Literatur vorgegebenen Standardmethoden sowie eine wissenschaftlich fundierte Prob-lembehebung auf der Basis empirischer Theorien, ● Berechnung der Zustandsgrößen Druck (p), Temperatur (T) sowie Zeit (t) unter den ge-wählten Versuchsbedingungen für unterschiedliche Problemstellungen und Materialien mit Kontrollmöglichkeiten sowie ● Gewährleistung des maximal möglichen Phasenumwandlungsgrades für die entsprechende Hochdruckphase. Insgesamt wurden im Verlauf der Entwicklungsarbeiten im Schockwellenlabor 122 Spren-gungen durchgeführt. Die Drücke betragen dabei zwischen 15 GPa und ca. 180 GPa. Es gelangen zahlreiche erfolgreiche Synthesen der Hochdruckphasen gamma-Si3N4 sowie rs-AlN mit Probenmengen von 0,2g bis zu 7,3g Hochdruckphase pro Versuch. Es wurden auf Basis der Rankine-Hugoniot-Zustandsgleichung drei empirische Grundprinzipien der Schockwellensynthese entwickelt, welche es nunmehr gestatten, die Schockwellenversuche reproduzierbar sowie gut kontrollierbar zu gestalten. Dies sind die „Vermeidung von Mach-Effekten“, die „Impedanzkorrektur der Probeneinheit“ sowie die „Kontrolle der adiabatischen Dekompression“. In mehr als 100 Experimenten, welche mit der impedanzkorrigierten Probeneinheit durchgeführt wurden, trat in keinem Fall Probenverlust auf, Gasdichtheit konnte teilweise hergestellt werden. Dies war unabhängig von dem erreichten Druck oberhalb des technisch bedingten Mindestdruckes von 15 GPa innerhalb der Probeneinheit möglich. Es wurden Versuche sowohl mit der Reflektionsmethode als auch mit der Impedanzmethode durchgeführt sowie für besondere Experimente dünne Metallplatten zwischen Flugplatte und Containeroberseite verwendet. In allen genannten Fällen sind die unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen in den Proben eindeutig verifizierbar. Weiterhin gelang es im Rahmen dieser Arbeit erstmals, sowohl Calciumcarbonat als auch Kaolinit (sogenannte fluidreiche Phasen) bis in den Druckbereich p> 100 GPa unter unterschiedlichen Temperaturen dynamisch zu belasten, ohne dass die empfindlichen Proben Ent-gasungs- bzw. Zerfallserscheinungen (Calcit) bzw. Aufschmelzungen (Kaolinit) aufwiesen. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Schocktemperatur zu richten, um den Druckaufbau nicht durch eine zu starke Aufheizung der Probe zu reduzieren (sogenanntes Knudson-Problem). Jede zukünftige Erhöhung des Druckes macht gleichzeitig eine Reduzierung der relativen Schocktemperatur erforderlich. Diese experimentellen Erfolge sind lediglich in dem Falle möglich, wenn im Schockwellenlabor folgende Grenzbedingungen eingehalten werden: ● Die Schockgeschwindigkeit Us ist größer als die Schallgeschwindigkeit des betreffenden Stoffes. ● Die erzielten Drücke sind höher als das Hugoniot-Elastic-Limit des betreffenden Stoffes und somit im Bereich des plastischen Verhaltens. ● Die maximale Porosität k des Impedanzpulvers ist kleiner als die Mie-Grüneisen-Grenze des betreffenden Stoffes. ● Die maximalen Drücke sind geringer als der Bulk-Modulus des betreffenden Stoffes und die Schallgeschwindigkeit im dichten Medium ist größer als die Schockgeschwindigkeit (Bereich der so genannten „schwachen Schockwellen“). ● Es wird ein Impedanzpulver-Probe-Verhältnis von >9:1 verwendet. ● Weiterhin stellt für die Schockwellensyntheseexperimente unter Vermeidung der freien adiabatischen Dekompression die Schocktemperatur (die Temperatur im Bereich des konstanten Druckes) die ausschlaggebende Größe dar. Für die Berechnung wurde entschieden, die Software MatLab zu verwenden. Die Berechnungen folgen den Grundlagen der linearen Algebra. Für die Berechnung der Zustandsgleichung wurden im Rahmen dieser Arbeit folgende vereinfachende Annahmen verifiziert: ● Unter den genannten Bedingungen gilt der lineare Zusammenhang zwischen Partikelge-schwindigkeit Up und Schockgeschwindigkeit Us. ● Unter den Bedingungen des Freiberger Schockwellenlabors sind die Unterschiede zwischen der gespiegelten Hugoniot und der release-adiabat-Kurve sehr gering, es kann an deren Stelle die gespiegelte Hugoniot verwendet werden. ● Die maximalen Drücke sind niedriger als der Schmelzpunkt auf der Hugoniot, sämtliche in dieser Arbeit dargestellten Berechnungen betreffen die beteiligten Stoffe im festen Zustand. Die impedanzkorrigierte Probeneinheit ist nicht zum Messen von Zustandsgleichungen geeignet, die Methoden „vollständige Probenrückgewinnung“ sowie „Messung der Zustands-gleichung“ schließen sich gegenseitig aus.:Motivation 1 1 Einführung 5 1.1 Das Hochdruckforschungszentrum (FHP) der Dr. Erich-Krüger-Stiftung 5 1.2 Möglichkeiten zur Erzeugung hoher dynamischer Drücke sowie zur Schockwel-lensynthese 24 1.3 Aufgaben des neuen Schockwellenlabors in Freiberg 31 2 Aufbau und Betrieb des neuen untertägigen Schockwellen- labors der TU Bergakademie Freiberg 35 2.1 Sprengarbeiten unter Bergrecht an einer Hochschule 35 2.2 Rechtliche Situation des Schockwellenlabors an der TU Bergakademie Freiberg 39 2.3 Lage und Dimensionierung des Schockwellenlabors 47 2.4 Ausrüstung des Labors 51 3. Physikalische Grundlagen 58 3.1 Verwendete Sprengstoffe 58 3.2 Detonation des Sprengstoffes und die Rankine-Hugoniot- Zustandsgleichung 60 3.2.1 Die Druck-Partikelgeschwindigkeits-Beziehung 64 3.2.2. Die Beziehung zwischen Druck und Differenz der spezifischen Volumina 66 3.2.3. Die Beziehung zwischen Druck und Differenz der spezifischen Inneren Energien 67 3.3 Plane-Wave-Generator (PWG) mit Flyer-Plate 69 3.3.1. Aktiver PWG 73 3.3.2. Passiver PWG 73 3.4 Beschleunigung der Flugplatte 74 3.5 Kollision der Flugplatte mit dem Probencontainer 77 3.6 Mie-Grüneisen-EoS und die Berechnung der Schocktemperatur 82 3.7 Verdichtung poröser Materialien 89 3.8 Schockwellenreflektionen 94 3.8.1 Reguläre Reflektionen 95 3.8.1.1 Reflektion an einer freien Oberfläche sowie adiabatische Dekompression 95 3.8.1.2 Reflektion an einer Materialgrenze 99 3.8.2 Irreguläre Reflektionen (Mach-Effekte) 102 3.9 Impedanzmethode 103 3.10 Reflektionsmethode beziehungsweise „ramp compression“ 107 3.11 Phasenumwandlungen aus schockwellenphysikalischer Sicht 112 4. Detaillierter Aufbau der Versuchsanordnung sowie Funktion der Einzelbestandteile 115 4.1 Versuchsanordnung 115 4.2 Explosiveinheit mit PWG und Arbeitsladung 116 4.2.1 Plane-Wave-Generator 116 4.2.2 Arbeitsladung 120 4.2.3 Flugplatte 122 4.2.4 Schaumstoffeinlage 123 4.2.5 Distanzring 124 4.2.6 Beschleunigung der Flugplatte 124 4.3. Probeneinheit 127 4.3.1 Probencontainer 129 4.3.2 Cu-Folie 131 4.3.3 Metallpulver und Probe 132 4.3.4 Probenhalter 135 4.3.5 Probenstempel 135 4.3.6 Schraubenboden 136 4.3.7 Stahlronde 136 4.3.8 HARDOX‐Unterlage 137 5. Berechnung der Zustandsgleichungen für die Impedanzmethode mit Hilfe der Software MatLab 139 5.1 Randbedingungen 139 5.2 Tests der Möglichkeit der Verwendung der getroffenen Annahmen 142 5.2.1 Gültigkeit der linearen Up‐Us‐Relation anstelle quadratischer Gleichungen 141 5.2.2 Verwendung der gespiegelten Hugoniot anstelle der adiabatischen Entspannungskurve 144 5.3 Berechnung der Hugoniot-EoS für die Kollision der Flugplatte mit dem Probencontainer 145 5.4 Berechnung der Kenngrößen „Druck“ und „Dichte“ für das Metallpulver mit Hilfe der Rankine‐Hugoniot‐EoS 152 5.5 Überprüfung der mit MatLab berechneten Zustandsgrößen 156 5.6 Berechnung der Kenngröße „Schocktemperatur“ für Kupferpulver im festen Zustand mit Hilfe der Mie‐Grüneisen‐EoS 158 5.7 Erstellen des X‐t‐Diagramms sowie Berechnung der Kenngröße „Schockdauer“ mit Hilfe linearer Gleichungssysteme 162 6. Empirisch methodische Weiterentwicklungen der Synthesemethoden 169 6.1 Vermeidung von Mach-Effekten 169 6.2 Impedanzkorrektur der Probeneinheit 173 6.2.1 Zerstörung des Probencontainers infolge ungünstiger Impedanzverhältnisse 173 6.2.2 Die Impedanzfunktion als zeit- und ortsaufgelöster Bestandteil der Hugoniot‐EoS 175 6.2.3 Konsequenzen der orts‐ und zeitabhängigen Impedanz- funktion für die Materialauswahl der Probeneinheit 180 6.3 Die Rolle der adiabatischen Dekompression unter Einbeziehung zusätzlicher Volumina. 183 7. Anwendungen 197 7.1 Untersuchungen des Microjettings 197 7.2 Reflektionsmethode mit Impedanzkorrigierter Probeneinheit und gekapseltem Reflektor 207 7.2.1 Versuchsaufbau 207 7.2.2 Testergebnisse 209 7.2.3 Berechnung der Druck‐ und Temperaturbedingungen für die Reflektionsmethode mit Hilfe der Software MatLab 211 7.2.3.1 Berechnung des p=f(Up)-Diagramms 211 7.2.3.2 Berechnung der Temperatur sowie der Geschwindigkeiten Up und Us 215 7.3 Halidbasierte Schockwellenbeanspruchung fluidreicher Phasen 222 7.4 Synthese von rs-AlN sowie -Si3N4 222 7.5 Upscaling der impedanzkorrigierten Probeneinheit mit vollständiger Probenrückgewinnung 223 7.5.1 Versuchsaufbau 223 7.5.2 Ergebnisse 225 8. Schlussfolgerungen 229 9. Danksagung 234 Literaturverzeichnis 235