Mechanics and multi-physics of phase transformations in shape memory alloys under extreme dynamic environments

Projektbeschreibung

Formgedächtnislegierungen durch Stöße entschlüsseln

Formgedächtnislegierungen (FGL) haben die Fähigkeit, ihren atomaren Aufbau als Reaktion auf externe Auslöser radikal zu verändern. Durch den Wechsel zwischen strukturellen Phasen vermögen diese Materialien enorme Energiemengen zu absorbieren oder mechanische Leistung zu erzeugen, so dass sie für die nächste Generation nachhaltiger Energiesysteme und Weltraumgeräte unverzichtbar sind. Unser Wissen über FGL ist jedoch begrenzt. Das ERC-finanzierte Projekt MultiPhaseXtrM zielt darauf ab, die Grenze von FGL zu definieren, indem diese in extremen dynamischen Umgebungen untersucht werden. Im Rahmen des Projekts werden diese Legierungen multiaxialen Stößen ausgesetzt, die innerhalb weniger Milliardstel Sekunden Drücke von bis zu 10 GPa erreichen. Diese tiefgreifende Forschungsarbeit untersucht die grundlegende Kinetik bei der Neuanordnung von Atomen, wenn diese an ihre absoluten Grenzen gebracht werden.

Ziel

Efficient power generation/absorption will remain a crucial aspect of disruptive technology in a society with rising energy demands for sustenance (e.g. power generation) to scientific curiosity (e.g. space exploration). Multi-functional shape memory alloys (SMAs) form the core of many such technological breakthroughs. The multi-functionality of SMAs originates from solid-solid phase transformations, i.e. changes in the atomic lattice structure, driven by local mechanical, thermal or magnetic fields. Project MultiPhaseXtrM identifies a radically different and unexplored regime for the operation of SMAs — large, multiaxial dynamic impact and shock stresses (up to 10 GPa) within short time scales (down to nanoseconds), referred to as “extreme dynamic environments”. Exploiting multi-physical coupling in SMAs under these extreme conditions could scale up their power conversion capabilities by orders of magnitude.

Two broad scientific questions form the core of Project MultiPhaseXtrM: (1) How do thermodynamic states evolve in SMAs under extreme dynamic environments and coupled thermal/magnetic fields? (2) How do these states drive the evolution of phase transformations at short time scales? Dynamic impact experiments and high-speed instrumentation, developed in house, will probe this multi-scale behavior in single-crystal SMAs under carefully-controlled strain rates and multi-axial stress states, while advancing experimental science towards resolving short length and time scales, simultaneously. Multi-scale data sets will be analysed within continuum theoretical frameworks to discover the kinetic laws for phase transformations across the range of multi-physical conditions explored. The impact of this program will extend beyond, from designing multi-ferroic SMAs with programmable multi-functionality under these extremes, to understanding the role of stress-induced phase transformations in dynamic material strength, material synthesis and extreme geological events.