Kinetische Regime der Wasserstoffabsorption in Dünnschichten
Da die Vision einer „Wasserstoffwirtschaft“ zunehmend an Bedeutung gewinnt, wird es immer wichtiger zu verstehen, wie das Eindringen von Wasserstoff in Materialien deren strukturelle Integrität gefährden kann – und Methoden zu entwickeln, um diesen Schädigungsprozessen entgegenzuwirken. In Beschichtungen und Dünnschichten wurden verschiedene Mechanismen beobachtet: Absorption durch Defekte, interstitielle Einlagerung, Hydridphasenbildung sowie strukturelles Versagen und/oder Ablösung der Schicht.
In-situ-Messungen der Wasserstoffkonzentration während der Absorption sind unverzichtbar, um zu verstehen, welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen, wie sie miteinander zusammenhängen und wie sie sich zeitlich entwickeln. Die resonante Neutronenreflektometrie (RNR) ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das die Wasserstoffkonzentration direkt und mit hoher Empfindlichkeit sowie zeitlicher Auflösung quantifiziert – und dies für beliebige Dünnschichten in Wasserstoffatmosphäre.
Forschende des MPI-FKF kombinierten In-situ-RNR mit Röntgenreflektometrie und elektrischem Widerstand, um den zeitabhängigen Zusammenhang zwischen Wasserstoffgehalt sowie strukturellen und elektrischen Veränderungen im Material zu verstehen. Dadurch konnten vier verschiedene Regime der Wasserstoffabsorption unterschieden werden, von denen jedes eine Folge des vorherigen ist: Zunächst dringt Wasserstoff über Korngrenzen, Hohlräume und bereits vorhandene Defekte in das Material ein. Von diesen Defekten ausgehend gelangt Wasserstoff in die Körner und verändert die Kristallstruktur des Materials, was zu einer starken Aufweitung des Abstands zwischen den Kristallebenen führt. Diese Ausdehnung erzeugt große mechanische Spannungen in der Schicht, die durch weitere plastische Verformungen und Versetzungsbildung abgebaut werden. Schließlich ermöglichen die neu entstandenen Defekte das Eindringen von noch mehr Wasserstoff – bis hin zu Konzentrationen, die die im entsprechenden Hydridmaterial erreichbaren Mengen überschreiten.
Die Kombination von In-situ-RNR mit Röntgenreflektometrie und elektrischen Widerstandsmessungen erweist sich damit als leistungsstarkes Werkzeug, um die zeitliche Abfolge von Absorptionsmechanismen direkt zu verfolgen – ein Zugang, der bislang nicht möglich war. Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen eine belastbare Grundlage für die Entwicklung sicherer Betriebsbedingungen in wasserstoffnahen Anwendungen wie Pipeline-Beschichtungen, Speicherbehältern, Membranen sowie protonenbasierten Bauteilen und Sensoren.
