Pulverdiffraktometer SPODI am FRM II

Forschungsgebiete am Instrument SPODI Strukturelle Charakterisierung von Funkionswerkstoffen unter speziellen äußeren Bedingungen Ziel: Verständnis von Struktur – Eigenschaft - Beziehungen zur Optimierung von Materialien Li-Ionenbatterien in-operando während Be- und Entladung Piezo- und Ferroelektrika während Polung im elektrischen Feld Formgedächtnislegierungen unter mechanischer Last bzw. bei versch. Temperat. Wasserstoffspeicher während Absorption und Desorption von Wasserstoff Nickel-Basislegierungen unter mechanischer Last bzw. bei hohen Temperaturen Ionenleiter, z.B. für Brennstoffzellen bei verschiedenen Temperaturen Materialien mit GMR-Effekt bei tiefen Temperaturen und ggf. magnet. Feld poröse Festkörper, z.B. Zeolithe und metallorganische Verbindungen bei verschiedener Beladung mit Einlagerungsverbindungen

Bestimmung und Auswertung von Pulverdiffraktogrammen Detektion der Debye-Scherrer-Kegel (Streuwinkel korrelieren mit interatomaren Abständen) Streuung an polykristallinen Proben  Debye-Scherrer-Kegel Ableitung v. Diffraktogrammen aus 2-dim Streubildern + Auswertung mit Strukturmodell  Bestimmung und Verfeinerung struktureller Parameter

Informationen aus Pulverdiffraktogrammen Intensität Streuwinkel 2 Lagen der Reflexe Phasenidentifizierung Struktur der Phasen Gitterkonstanten Symmetrie/Raumgruppe Intensitäten der Reflexe Quantitative Phasenanalyse Struktur der Phasen Atompositionen Besetzungsgrade der Atome Magnetische Ordnung Profil der Reflexe Mikrostruktureinflüsse Textur/Vorzugsorientierung Partikelgrößen Mikrospannungen

Vorteile von Neutronen- gegenüber Röntgenbeugung Li: Li-Ionenbatterie-Materialien H: Wasserstoffspeicher-Materialien O: Ferroelektrika, Ionenleiter (Materialien für Brennstoffzellen, Lambda-Sonden...) Lokalisierung leichter Elemente, z.B. H(D), Li, O, N  Unterscheidung von Elementen Mit ähnlicher Elektronenzahl Fe-Co, Si-Al, O-N Hohes Durchdringungsvermögen  voluminöse Proben anwendungsnahe Proben zerstörungsfreie Analyse Phasenumwandlungen bei hohen Temperaturen Werkstoffe unter anwendungsnahen Bedingungen verschiedenste Probenumgebungen: hohe und tiefe Temperaturen, elektr.,magnetische Felder, mech. Last Magnetische Wechselwirkung (Bestimmung magnetischer Ordnung) Materialien mit GMR-Effekt Supraleiter

Nickel-Basislegierungen M. Hoelzel, R. Gilles (FRM II) D. del Genovese, D. Mukherji (Braunschweig) hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen für Einsatz in Turbinen. Härtung durch Ausscheidung intermetallischer Phasen wie g’ (Ni3Al basiert) oder g’’ (Ni3Nb basiert) TEM: Ausscheidungen in Inconel Legierungen M. Hoelzel, R. Gilles (FRM II) D. del Genovese, D. Mukherji (Braunschweig) hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen für Einsatz in Turbinen. Härtung durch Ausscheidung intermetallischer Phasen wie g’ (Ni3Al basiert) oder g’’ (Ni3Nb basiert) TEM: Ausscheidungen in Inconel Legierungen Vorteil Neutronen: zerstörungsfreie Phasenanalyse an Werkstücken Gasturbine

Neutronenbeugung unter mechanischer Last Multifunktionaler Lastrahmen (am FRM II konstruiert) uniaxiale Last (Zug/Druck) bis 50 KN Torsion bis 50 Nm Orientierung der Probe/Lastachse (w, c, f Achsen) Hohes Durchdringungsvermögen der Neutronen  Untersuchung voluminöser Proben Anwendungen: spannungsinduzierte Phasenumwandlungen Texturentwicklung

Lithium-Ionenbatterien in operando (I) Phasenanalyse Vorteile Neutronen: Lokalisierung von Li Unterscheidung von Fe – Co – Mn – Ni Zerstörungsfreie Untersuchung voluminöser Proben LiCoO2 LiCoO2 (Kathode) Cu (Kontakt) Fe (Gehäuse) LiC12 (Anode) LiC6 (Anode) Al (Kontakt) A. Senyshyn (FRM II), H. Ehrenberg (KIT)

Lithium-Ionenbatterien in operando (II) Li-Interkalation Li-Interkalation in Graphit-Anode in neuer Zelle gegenüber einer ermüdeten Zelle: Ladestufen Kapazitäten von neuer und ermüdeter Zelle  ermüdete Batterie zeigt höheren Phasenanteil von LiC12 Aufnahme von Diffraktogrammen bei verschienden Spannungen (Ladezuständen) A. Senyshyn (FRM II), H. Ehrenberg (KIT)

Wasserstoffspeicher-Materialien Vorteil Neutronen: Lokalisierung von Wasserstoff (Deuterium) NaAlH4 ↔ 1/3 Na3AlH6 + 2/3 Al + H2 3.7 Gew.% H 1/3 Na3AlH6 ↔ NaH + Al + H2 1.8 Gew.% H Phasenunumwandlungen reversibel, hohe Speicherkapazität, gute Kinetik bei ca. 150 °C Struktur von Na3AlH6 Diffraktogramm von NaAlH4 nach 8 Zyklen Wasserstoffabgabe und –aufnahme  Phasenanteile von Na3AlH6, Al, NaCl neben NaAlH4 M. Hoelzel (FRM II), A. Leon (KIT)

Polungsmechanismen technischer Piezokeramiken – Neutronenstreuung unter elektrischen Feldern Neue bleifreie Ferroelektrika: Bi1/2Na1/2TiO3+ BaTiO3+ K1/2Na1/2NbO3 - 94:5:1 strukturelle Phasenumwandlung im elektrischen Feld bei 3 kV/mm trägt zu herausragenden piezoelektrischen Eigenschaften bei Vorteil Neutronen: Lokalisierung von Sauerstoffatomen Überstruktureflexe T = tetragonale Phase R = rhombohedrische Phase verkippte Sauerstoff-Oktaeder in rhomboedrischer Phase M. Hinterstein (TU Darmstadt/IFW Dresden), M. Hoelzel (FRM II)