Skalenübergreifende Modellierung und Simulation des Schädigungsverhaltens polykristalliner ferroelektrischer Keramiken bei elektro-mechanischer Beanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr. Meinhard Kuna
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 214252403

Polykristalline ferroelektrische Keramiken finden in modernen Sensoren, Aktoren und Wandlern vielfältige Anwendungen. Diese Bauelemente sind im betrieblichen Einsatz statischen und dynamischen elektrischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, so dass die Bewertung und Verbesserung ihrer Zuverlässigkeit und Lebensdauer ein technisch wichtiges Problem darstellt. Die entscheidenden Prozesse der Materialschädigung laufen durch Bildung und Wachstum von Mikrorissen in der Mikrostruktur ab. Sie sind eine Folge ferroelektrischer Domänenschaltvorgänge und der dadurch verursachten inneren Spannungen. Ziel des Projekts ist deshalb eine skalenübergreifende Modellierung der elektro-mechanischen Schädigung in polykristallinen Ferroelektrika. Dazu wird ein erweitertes dreidimensionales Materialmodell für das irreversible Domänenverhalten auf der mikroskopischen Ebene in ein Finite Element Programm implementiert. Die mesoskopische Gefügestruktur in Bereichen hoher Beanspruchungen wird mit Hilfe von repräsentativen Volumenelementen hochaufgelöst abgebildet. Die elementaren Schädigungsprozesse der inter- und transgranularen Bruchvorgänge werden durch Kohäsivelemente simuliert. Um das Schädigungsmodell auch auf makroskopische Bauelemente und Prüfkörper anwenden zu können, wird ein leistungsfähiges numerisches FE2- Werkzeug für massiv parallele Rechnercluster geschaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr.-Ing. Christoph Häusler