mini|Aufbau reaktiver Multischichten mini|Schematischer Reaktionsablauf: Die Reaktionsfront verläuft von links nach rechts und lässt eine intermetallische Produktphase zurück
Unter der Bezeichnung reaktive Multischichten oder reaktive Multilagen wird eine Klasse von porenfreien, reaktiven Materialien verstanden, die aus abwechselnden Schichten verschiedener Metalle bestehen. Gängige Metallkombinationen sind Aluminium-Nickel, Aluminium-Titan und Aluminium-Platin. Eine einzelne Metallschicht kann hierbei eine Dicke zwischen 4 und 100 Nanometern haben. Reaktive Multischichtsysteme bestehen aus jeweils mehreren Tausend dieser Schichten.
Seltener werden auch Multischichten aus bis zu drei Metallen erwähnt. Multischichten aus einer Kombination von Metall und Halbleiter, Metall und Halbmetall, Metall und Metalloxid sowie Metall und organischem Material können ebenfalls reaktive Systeme bilden.
Reaktive Multischichten werden seit den späten 1980er Jahren erforscht, wobei die Forschung insbesondere ab den 1990er Jahren zugenommen hat. Die zugrundeliegende selbstfortschreitende Hochtemperatursynthese (SHS) wurde schon lange zuvor beschrieben, untersucht und eingesetzt, wurde aber hauptsächlich bei pulverförmigen Werkstoffen angewandt. Ein Beispiel hierfür ist die Thermitreaktion.
Zur Herstellung von reaktiven Multischichten können verschiedene Verfahren genutzt werden, wobei die physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD) die hauptsächlich genutzte Verfahrensgruppe darstellt. Hersteller von reaktiven Multilagen sind vornehmlich Forschungseinrichtungen. Eine kommerzielle Produktion erfolgt nur in geringem Maße durch den Hersteller Indium Corporation, der sein Produkt unter der Marke NanoFoil vertreibt.
Funktionsweise Reaktive Multischichten können genutzt werden, um definierte Mengen thermischer Energie innerhalb kurzer Zeit kontrolliert freizusetzen. Hierbei fungieren die Metallschichten als Reaktanten in einer selbstfortschreitenden exothermen Reaktion, die durch das Einbringen einer Aktivierungsenergie gestartet wird. Im Gegensatz zu einer explosiven Umsetzung der Reaktion, setzt sich die Reaktion in reaktiven Multischichten in den meisten Fällen in Form einer Reaktionsfront unterhalb der materialspezifischen Schallgeschwindigkeit fort.
Während der Reaktion kommt es zu einer atomaren Durchmischung des Materials der einzelnen Schichten – das auch ohne dass eine flüssige Phase vorliegt – und eine meist homogene Produktphase wird hinterlassen. Der Reaktionsmechanismus ist von der Art des Multischichtsystems abhängig und ist vielfach Gegenstand der Forschung. Die Zusammensetzung der intermetallischen Produktphase ist von den eingesetzten Materialien des jeweiligen Multischichtsystems abhängig.
Anwendungsfälle Da zu reaktiven Multischichten weiterhin Grundlagenforschung betrieben wird, werden diese bislang nicht in großem Maßstab eingesetzt. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Nutzung reaktiver Multischichten zur Erzeugung von Fügeverbindungen. In kleinerem Maßstab werden Multischichten in Industrieanwendungen genutzt, um ein Lot oder direkt einen Fügepartner aufzuschmelzen. Hierdurch können Löt- oder Schweißverbindungen erzeugt werden. Ein Vorteil der Nutzung reaktiver Multischichten ergibt sich in dieser Anwendung daraus, dass wärmesensitive Bauteile aufgrund der geringen thermischen Penetrationstiefe nicht beschädigt werden.
Weiterhin wurden diverse andere theoretische Anwendungsfelder vorgeschlagen. Darunter hauptsächlich die Nutzung als Zünder für Airbags, Leuchtsignale und Granaten.
Einzelnachweise Rogachev, A. S.; Vadchenko, S. G.; Baras, F.; Politano, O.; Rouvimov, S.; Sachkova, N. V.; Grapes, M. D.; Weihs, T. P.; Mukasyan, A. S.: Combustion in reactive multilayer Ni/Al nanofoils: Experiments and molecular dynamic simulation. In: Combustion and Flame. 1662016, S. 158–169. Adams, D. P.: Reactive multilayers fabricated by vapor deposition: A critical review. In: Thin Solid Films. 2015, S. 98–128.
Kategorie:Stoffgemisch