Ein mesoskaliger Modellierungsansatz für Fehlstellen und Grenzschichten in kristallinen Materialien

• Antragsteller: Dr. Marco Salvalaglio
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447241406

Das Projekt befasst sich mit der mesoskaligen Modellierung kristallener Materialien, z.B. Polykristalle und kristalline Heterostrukturen. Es zielt darauf ab i) theoretische Mehrskalenmodelle zu entwickeln, welche mikro- und makroskopische Eigenschaften von Kristallen verbinden, ii) Begrenzungen der Zeit- und Längenskala aktueller Methoden zu überwinden, und iii) Anwendungen für technologisch-relevanten, kristalline Materialien und offenen Fragen der Werkstoffwissenschaft zu ermöglichen. Es baut auf dem Phasenfeldkristall (PFC) Modell auf, welches eine geeignete mikroskopische Modellierung von kristallinen Materialien über relativ lange (diffuse) Zeitskalen ermöglicht. Das PFC Modell nutzt eine Beschreibungen von kristallinen Materialien mittels eines kontinuierlichen periodischen Feldes der atomaren Dichte. Im vorliegenden Vorhaben nutzen wir dessen Amplitudenerweiterung (APFC), welche eine Version des PFC-Modells mit geringerer Auflösung darstellt, dabei aber wichtige Details auf atomarer Längenskala erhält. Das APFC Model wird genutzt um Morphologieentwicklung der Kristalle auf makroskopischer Ebene mit der Beschreibung von Defekten und Grenzfächen zu kombinieren. Das Grundlagen-APFC-Modell wird erweitert, um Eigenschaften realer Materialien, inklusive komplexer Kristallstrukturen und Legierungen zu modellieren und erhebliche, derzeit noch vorhandene Beschränkungen des APFC Modells zu überwinden. Außerdem ist die Entwicklung eines hybriden PFC-APFC-Modells geplant. Diese wird die atomistische Auflösung von PFC in bestimmten Regionen (z.B. an Defekten), mit der grokörnigeren Darstellung des APFC, in anderen Regionen, verbinden. Insbesondere ist eine grobskalige Beschreibung der Dynamik und Morphologie von großflächigen Defekten, wie Grenzflächen zwischen rotierten Körnern geplant. Die Ergebnisse werden mit anderen Modellen, wie Moleküldynamik, diskreter Versetzungsdynamik und kontinuierlichen Ansätzen verglichen um Aussagen zur Qualität der Ergebnisse der neu entwickelten Methode zu erhalten. Die folgenden Anwendungen sind für die auf dem APFC Modell basierenden Ansatz geplant: z.B. i) mesoskalige Simulationen von Heteroepitaxy, ii) mesoskalige Modellierung der Morphologie und Bewegung von Verlagerungen und Korngrenzen, iii) effektive kontinuierliche Zustandsbeschreibungen von Anisotropien und Nichtlinearitäten, welche aus der Gitterstruktur resultieren. Dieses Projekt wird den Zielen des DFG-Emmy-Noether-Prgrammes gerecht. Das interdisziplinäre Wissenschaftsumfeld der Gastuniversität (TU Dresden), insbesondere das Institut für Wissenschaftliches Rechnen und das "Dresden Center for Computational Materials Science", werden das Projekt unterstützen und den Erfolg des geplanten Forschervorhabens fördern. Die geplante Kooperation mit herausragenden Physikern und Materialwissenschaftlern, welche vorwiegend theoretisch im Bereich der Materialmodellierungen, aber auch experimentell arbeiten, bildet eine weiterere strategische Stärke des Projektes.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen