Novel Pathways for Solid-State Hydrogen Storage and Hydrogen-Mediated Microstructure Evolution

Wasserstoff wird eine zentrale Rolle beim Aufbau einer klimaneutralen Wirtschaft spielen, doch die zunehmende Nutzung von Wasserstoff erfordert auch effiziente, kostengünstige und sichere Speichermöglichkeiten. In dieser Hinsicht stellt die reversible Absorption von Wasserstoff in Metallhydriden eine attraktive Alternative zu klassischen Speichermethoden bei hohem Druck und durch Verflüssigung dar. Allerdings gibt es auch Nachteile, darunter die langsame anfängliche Absorption, die Notwendigkeit einer Aktivierung und eine schlechte mechanische Stabilität. Diese Arbeit versucht diese Hindernisse zu überwinden, indem neuartige Nanokomposite und nanoporöse Materialien durch die Kombination von Ultrahochverformung, vor allem Hochdrucktorsion, und selektiver Phasenauflösung hergestellt wurden. Die beiden für diesen Ansatz ausgewählten Metallhydridsysteme waren die intermetallische Verbindung FeTi und die Hochentropielegierung TiVZrNbHf sowie deren jeweiligen Komposite mit elementarem Kupfer. Nach einer Einführung der grundlegenden Konzepte und des aktuellen Wissensstandes sowohl von Metallhydriden als auch der Ultrahochverformung, beschreibt diese Arbeit die neu entwickelten Verfahren, die daraus resultierenden funktionalen Materialien sowie die zugrundeliegenden Mechanismen der Strukturbildung. Eine eingehende Untersuchung der FeTi¿Cu Komposite deckte die Mechanismen auf, welche die Mikrostrukturentwicklung während der Hochdrucktorsion steuern. Es wird ein selbstverstärkender Kornfeinungsprozess postuliert und experimentell nachgewiesen, der auf dem dehnratenabhängigen Verformungsverhalten basiert und für die Überwindung der ungünstigen Verformungslokalisierung während der Ultrahochverformung wesentlich ist. Außerdem deuten die Untersuchungen chemisch komplexer Materialien wie TiVZrNbHf und TiVZrNbHf¿Cu auf einen erheblichen Einfluss von Wasserstoff auf die Stabilität dieser Systeme hin. Darüber hinaus zeigt die Verformung von Kompositen mit und ohne Wasserstoff eine wasserstoffinduzierte Unterdrückung des mechanischen Legierens. Dies stellt einen neuartigen Ansatz zur Steuerung der Mikrostrukturentwicklung und zur Erzielung sonst unerreichbarer Mikrostrukturzustände dar. Ausgehend von den FeTi¿Cu-Nanokompositen war es möglich durch selektives Auflösen von Cu nanoporöses FeTi mit einstellbaren Strukturgrößen herzustellen. Dies ermöglichte einen genauen Einblick in die zugrundeliegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieses Systems zu gewinnen. Die Untersuchung enthüllte die Unterdrückung der Hydridbildung durch einen Confinement-Effekt in nanoporösem FeTi, zeigte aber auch, dass dieser Effekt durch Anpassung und Vergröberung der Mikrostruktur überwunden werden kann. Insgesamt wurden in dieser Arbeit die Grenzen der kontrollierten Mikrostrukturentwicklung von Mehrphasenmaterialien bei starker plastischer Verformung untersucht sowie die Beschränkungen der Hydridbildung in nanoskaligen Systemen erforscht. Es zeigt sich, dass eine gezielte und kontrollierte Mikrostrukturentwicklung für die Weiterentwicklung von Metallhydriden unerlässlich ist, aber dass umgekehrt, Hydride und Wasserstoff dazu verwendet werden können, die Gefügeentwicklung gezielt zu steuern. Diese Arbeit trägt zum grundlegenden Verständnis sowohl des Bereichs der Ultrahochverformung als auch der Metall-Wasserstoff-Systeme bei und hebt Synergien an den Schnittstellen der Forschungsgebiete hervor.