TU Darmstadt / ULB / TUprints

Mechanics and electrical conductivity of dislocation-tuned ceramics

Porz, Lukas (2021):
Mechanics and electrical conductivity of dislocation-tuned ceramics. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017954,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Porz_final_ULB.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (54MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Mechanics and electrical conductivity of dislocation-tuned ceramics
Language: English
Abstract:

Dislocations are attracting increasing attention for their potential to tune a whole range of functional properties in ceramics. As one-dimensional line defects, they influence their environment by both their elastic strain field as well as their charged core with compensating space charge. This can be a competing approach to point defect doping. Their geometric versatility and localized impact simultaneously allow new design dimensions and pose new layers of complexity. Dislocations also severely impact mechanical properties, which demands an interrelated understanding of both their mechanics and their impact on each functional property, severely complicating research efforts. In particular, the detailed mechanisms by which dislocations impact functional properties, such as electrical and thermal conductivity, and the respective design parameters are not fully explored. Furthermore, ways to introduce dislocations into polycrystalline samples need to be developed. And lastly, the role of dislocations on the fracture toughness of ceramics needs to be revisited. Literature on all of these three questions is abundantly available. However, it is scattered over decades and a range of different materials, which impedes overview and quick identification of critical questions to be addressed. In this work, key potential is identified by first presenting a simple perspective on dislocation mechanics in ceramics. This leads to a longer discussion on room temperature plasticity and fracture toughness: Dislocations are mobile at ambient temperature in a broad range of ceramics. While these single crystals are ductile, their respective polycrystals not ductile and both behave brittle despite their ductility. A coherent explanation for this seemingly contradicting mechanical behavior is attempted while suggesting that dislocations can unexpectedly enhance the fracture toughness of ceramics substantially. Furthermore, dislocation structures are introduced into polycrystals in compression tests at elevated temperatures. This allows the rationalization of the high-temperature deformability and designing dislocation structures in polycrystals. Lastly, a conceptual framework is developed to simplify pointed discussions on the impact of dislocations on functional properties such as conductivity. In each of the three topics discussed, 1) room temperature plasticity and fracture toughness, 2) high temperature plasticity, and 3) conductivity, attempts will be made to fully embrace the mechanistic complexity. Simpler perspectives will be derived allowing easier and more accurate judgement of the potential in each of the three fields.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Versetzungen erhalten zunehmende Aufmerksamkeit für deren Potential eine ganze Reihe von funktionellen Eigenschaften in Keramiken zu beeinflussen. Als eindimensionale Liniendefekte beeinflussen sie ihre Umgebung durch sowohl das elastische Dehnungsfeld als auch ihren geladenen Kern mit kompensierender Raumladungszone. Dies kann ein alternativer Ansatz zur Dotierung mit Punktdefekten sein. Ihre geometrische Vielseitigkeit und der lokalisierte Einfluss erlaubt neue Designdimensionen und wirft gleichzeitig neue Lagen von Komplexität auf. Versetzungen beeinflussen auch die mechanischen Eigenschaften maßgeblich, wodurch ein verwobenes Verständnis von sowohl deren Mechanik als auch deren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften gefordert ist, wodurch das Verständnis deutlich erschwert wird. Insbesondere die detaillierten Mechanismen durch welche Versetzungen funktionelle Eigenschaften, sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit, beeinflussen und die dazugehörigen Designparameter sind nicht vollständig aufgeklärt. Darüber hinaus müssen Wege entwickelt werden und Versetzugnen in polykristalline Proben einzubringen. Und letztlich muss die Rolle von Versetzungen für die Bruchzähigkeit neu betrachtet werden. Literatur über alle dieser drei Fragen ist weit Verfügbar. Jedoch ist diese über Jahrzehnte und eine ganze Reihe von verschiedenen Materialen verstreut wodurch ein Überblick und eine schnelle Identifikation von kritischen Fragen verhindert wird. In dieser Arbeit wir zunächst Kernpotential identifiziert indem eine einfache Perspektive auf die Versetzungsmechanik in Keramiken zuerst präsentiert wird. Dies führt zu einer längeren Diskussion über die Raumtemperaturplastizität und die Bruchzähigkeit: Versetzungen sind bei Raumtemperatur in einer erstaunlichen Anzahl verschiedener Keramiken mobil. Währen diese Einkristalle duktil sind, sind deren Polykristalle nicht duktil und beide verhalten sich trotz der Duktilität spröde. Eine kohärente Erklärung für dieses scheinbar widersprüchliche Verhalten wird versucht währen vorgeschlagen wird, dass Versetzungen unerwarteter Weise die Bruchzähigkeit von Keramiken substantiell beeinflussen können. Weiterhin werden Versetzungsstrukturen in Polykristalle durch Kompression bei erhöhten Temperaturen eingebracht. Dies erlaubt die Bewertung der Hochtemperaturverformbarkeit und das Einbringen von Versetzungsstrukturen in Polykristalle. Zuletzt wird ein konzeptionelles Rahmenwerk entwickelt um gezielte Diskussion über den Einfluss von Versetzungen auf die funktionellen Eigenschaften wie beispielsweise die Leitfähigkeit zu erleichtern. In jedem der drei diskutierten Themen, 1) Raumtemperaturplastizität, 2) Hochtemperaturplastizität, und 3) Leitfähigkeit, werden Versuche gemacht die mechanistische Komplexität voll zu erfassen. Einfachere Perspektiven werden davon abgeleitet um genauere Beurteilung des Potentials in jedem der drei Felder zu ermöglichen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 224 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Nonmetallic-Inorganic Materials
Date Deposited: 01 Jun 2021 07:42
Last Modified: 01 Jun 2021 07:43
DOI: 10.26083/tuprints-00017954
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-179548
Referees: Rödel, Prof. Dr. Jürgen and Albe, Prof. Dr. Karsten
Refereed: 15 March 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17954
Export:
Actions (login required)
View Item View Item