FOR 1509:  Ferroische Funktionsmaterialien - Mehrskalige Modellierung und experimentelle Charakterisierung

• Fachliche Zuordnung: Maschinenbau und Produktionstechnik ; Bauwesen und Architektur ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167466072

Wissenschaftliche ZieleNeue Technologien in den Zukunftsfeldern der "Grand Challenges", siehe die Hightech-Strategie der Bundesregierung, erfordern in vielen Bereichen neue Werkstoffe mit ausgesuchten Eigenschaften. So sind Funktionswerkstoffe seit dem Siegeszug der Elektronikfester Bestandteil aller modernen technischen Geräte. Ihre Anwendungsgebiete erstrecken sich vom Automobil bis zur Raumfahrt, von der Medizintechnik bis hin zur Informations- und Kommunikationstechnologie. Sie sind eine signifikante Grundlage für weiteres Wirtschaftswachstum und Innovation. Smart Materials stellen dabei eine wichtige Klasse dieser Funktionswerkstoffe dar. Sie sind in der Lage, eine physikalische Größe in eine andere zu transformieren. Mögliche Umwandlungen sind beispielsweise Dehnungs- durch Temperaturänderungen, Magnetisierungsänderungen durch Dehnung, Viskositätsänderungen durch Magnetfelder oder die Erzeugung mechanischer Spannungen aus elektrischen Feldern. Je nach Anwendung müssen Skalen in Dimensionen von Nanometern bis hin zu Zentimetern Berücksichtigung finden. Dementsprechend aufwändig ist eine umfassende Materialcharakterisierung. Im Laufe der letzten Jahre ist eine Vielzahl von Modellierungswerkzeugen entwickelt worden, die den Ingenieuren zunehmend erlauben, kostspielige Experimente in einigen Entwicklungsphasen zu ersetzen. In der Halbleiterindustriebeispielsweise ist der Wissensstand heute so weit fortgeschritten, dass ganze Rechnerarchitekturen aus dem Modell heraus entwickelt und gebaut werden können. Aufgrund der komplexen Kopplungen zwischen den unterschiedlichen Feldgrößen sind entsprechende Zugänge für die Smart Materials derzeit noch nicht möglich. Einzelne Werkstoffeigenschaften sind in speziellen Modellen inzwischen hinreichend erfasst, aber die Vielfalt und wechselseitige Abhängigkeit der Effekte machen eine Modellierung, die das Bauteildesign aus der allgemeinen Werkstoffkenntnis heraus gestattet, derzeit noch unmöglich. Auch einige relativ simpel erscheinende Materialgesetze sind derzeit noch nicht in stabilen und robusten Algorithmen verankert. Wie im Erstantrag dargestellt, ist die Vision der Forschergruppe, eine neue Qualität zuverlässiger, robuster Modellierungswerkzeuge für die Beschreibung der ausgeprägten Nichtlinearitäten und des komplexen Wechselspiels der unterschiedlichen Feldgrößen im Abgleich mit experimentellen Daten in ferroischen Funktionsmaterialien zu etablieren. Die erforderlichen experimentellen Daten werden sowohl originär im Rahmen eines Teilprojekts erarbeitet als auch aus zuverlässigen Literaturquellen entnommen. Die Arbeiten der Forschergruppe deckt dabei die Kopplung von elektrischer Polarisation, Magnetisierung und Dehnung ab. Im Zentrum der Betrachtungen stehen ferroelektrische und ferromagnetische Werkstoffe sowie multiferroische Komposite. ...

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Design und Analyse funktioneller Komposit-Materialien mit verzerrungsinduzierter magneto-elektrischer Kopplung (Antragsteller Brands, Dominik ;  Schröder, Jörg )
• Experimentelle Charakterisierung magneto-elektrisch koppelnder Komposite (Antragsteller Lupascu, Doru Constantin ;  Wende, Heiko )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Schröder, Jörg )
• Mikrostrukturelle Interaktionen und Umklappvorgänge in Ferroelektrika (Antragsteller Menzel, Andreas ;  Svendsen, Robert )
• Modellierung und Homogenisierung des magneto-mechanischen Materialverhaltens auf verschiedenen Skalen (Antragsteller Keip, Marc-André )
• Molekularstatische Methoden zur Simulation von Ferroelektrika (Antragsteller Steinmann, Paul )
• Numerische Relaxierungsansätze zur Mikrostrukturentwicklung in funktionalen magnetischen Werkstoffen (Antragsteller Bartel, Thorsten ;  Kiefer, Ph.D., Björn )
• Untersuchung von Größeneffekten in ferroischen Materialien mittels Phasenfeldsimulationen (Antragstellerinnen / Antragsteller Müller, Ralf ;  Xu, Bai-Xiang )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder