Skalenübergreifende Modellierung des Bruchverhaltens polykristalliner ferroelektrischer Keramiken bei monotoner und zyklischer elektromechanischer Beanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr. Meinhard Kuna
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327013632

Ferroelektrische Funktionskeramiken finden heutzutage vielfältige technische Anwendungen als Sensoren, Aktuatoren oder als integrierte Komponenten von multifunktionalen Compositen, wo sie gekoppelten elektrischen und mechanischen Betriebsbelastungen ausgesetzt sind. Aufgrund der Sprödigkeit der Keramiken kommt es zur Entstehung und Ausbreitung von Rissen an Materialdefekten und Spannungskonzentrations­stellen, wodurch die Belastbarkeit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit diese Bauelemente beeinträchtigt ist.Ziel des Projekts ist es, die Bruchvorgänge in ferroelektrischen Materialien und Bauelementen unter elektrischen, mechanischen oder kombinierten Belastungen zu erforschen. Die Beanspruchungen können monoton oder zyklisch verlaufen, was entweder zum Versagen durch Sprödbruch bzw. zu Ermüdungsprozessen führt. Dazu wird eine skalenübergreifende Modellbildung des Materialverhaltens ferroelektrischer Funktionskeramiken erarbeitet, die Domänenprozesse auf der Mikro-Skala und nichtlineare elektromechanische Kontinuumsgesetze auf der Makro-Skala verbindet, und im Rahmen der Finite-Element-Methode implementiert. Zur Simulation von Versagensprozessen wie Schädigung, Anrissbildung und Rissausbreitung werden elektromechanische zyklische Kohäsivzonenmodelle eingesetzt. Mit diesen Materialmodellen wird die elektromechanische Beanspruchungssituation an Rissen eingehend untersucht, um geeignete bruchmechanische Beanspruchungskenngrößen und Versagenskriterien zu finden. Auf der Makro-Skala werden dafür Konzepte der Konfigurationskräfte favorisiert. Auf der Mikro-Skala wird die diskreten Gefügestruktur des Polykristalls abgebildet und damit die Bruchprozesszone modelliert. Dieser Ansatz ermöglicht eine Korrelation zwischen den Eigenschaften der Prozesszone und den makroskopisch messbaren bruchmechanischen Kennwerten sowie den Beanspruchungskenngrößen am Riss. Im Fokus steht der Einfluss des elektrischen Feldes auf die Bruchkennwerte und die Beanspruchung.Als Ergebnis des Projektes entsteht ein Simulationswerkzeug , das eine durchgängige skalenübergreifende, quantitative Beschreibung der elementaren Schädigungsprozesse, der Rissinitiierung und das Risswachstums in ferroelektrischen Keramiken erlaubt.Abschließend werden die ausgearbeiteten Modelle mit verfügbaren elektromechanischen Bruchexperimenten verglichen und exemplarisch auf ausgewählte ferroelektrische Bauteile wie Stapelaktuatoren oder Makro-Fiber-Composite angewandt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen