Phasenkompatibilität

Phasenkompatibilität bezeichnet in der Materialwissenschaft die Fähigkeit zweier oder mehrerer Phasen in einem System, unter gegebenen Bedingungen stabil gemeinsam zu existieren. Sie betrifft vor allem Mehrphasenmaterialien wie Legierungen, keramische Verbundwerkstoffe, Beschichtungen und Sinterwerkstoffe. Eine hohe Phasenkompatibilität führt zu kohärenten oder halbkohärenten Grenzflächen, geringer Interfacialenergie und reduzierten residualen Spannungen, was mechanische Festigkeit, Zähigkeit und Beständigkeit gegen Diffusion erhöhen kann. Wichtige Determinanten sind die Kristallstruktur und die Gitterparameter der beteiligten Phasen, chemische Kompatibilität sowie thermische Ausdehnung und Diffusionsverhalten.

Gitterfehlanpassung (lattice mismatch) ist ein zentraler Faktor: Größere Fehlanpassungen erzeugen Spannungen an der Phasengrenze, begünstigen instabile Grenzflächen oder frühzeitige Phasenreaktionen, und verschlechtern oft die Materialleistung. Die Phasenkompatibilität wird durch Phasendiagramme, Thermodynamik und Kristallstrukturen bestimmt. In der Praxis strebt man kohärente oder semi-koherente Grenzflächen an, beispielsweise durch sorgfältige Abstimmung der Gitterabstände oder Orientierungsbeziehungen der kristallinen Phasen.

Anwendungen finden sich in der Metallurgie (Legierungen mit stabilen Phasen), der Keramik- und Beschichtungsbranche (Schutzzonen gegen Diffusion, Funktionsschichten) sowie in Halbleiter- und Nanoheterostrukturen (Lattice-Matching in LEDs und Heterointegration). Herausforderungen bestehen in Diffusion über Grenzflächen, der Bildung neuer Phasen und Diffusionsbarrieren, die bei Wärmebehandlung auftreten können.