Mehrskalenmodellierung generalisierter elektrisch leitender Grenzflächen

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Tobias Kaiser
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556523284

Materielle Grenzflächen treten auf verschiedenen Längenskalen auf und können deutlich andere Eigenschaften als das sie umgebende Kontinuum aufweisen. Typische Beispiele sind Korngrenzen auf der Mikroskala und Drahtbonden auf der Makroskala. So können Korngrenzen die effektiven Eigenschaften eines Materialsystems erheblich beeinflussen. Ebenso sind Drahtbonden ein integraler Bestandteil von elektrischen Schaltkreisen, die in der Automobil-, Kommunikations- und Informationstechnik eingesetzt werden, und für deren Funktionalität von entscheidender Bedeutung. Motiviert durch diese Beispiele liegt der Fokus in diesem Forschungsprojekt auf der Entwicklung computergestützter Simulationsmethoden für materielle Grenzflächen. Dies umfasst sowohl die Vorhersage sich entwickelnder Grenzflächeneigenschaften als auch die effektiven Eigenschaften von Materialsystemen, die Grenzflächen aufweisen. Insbesondere werden drei grundlegende Forschungsfragen zu elektro-mechanisch gekoppelten Mehrskalenansätzen für materielle Grenzflächen adressiert: i) In einer kürzlich erschienenen Arbeit wurde die vereinheitlichende Theorie generalisierter Grenzflächen vorgeschlagen, die etablierte Arbeiten zu Kohäsivzonenmodellen und energetischen Oberflächen zusammenführt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird dieser generalisierte Ansatz zunächst auf elektrisch leitfähige Materialien erweitert. Hierdurch können Effekte wie der elektrische Widerstand der Grenzfläche, tangentiale elektrische Grenzflächenströme als auch mechanisch induzierte Versagensprozesse, die die elektrischen Grenzflächeneigenschaften verändern, in einem Modellierungsrahmen berücksichtigt werden. ii) Im einleitenden Drahtbondenbeispiel werden die effektiven Makroskaleneigenschaften der Grenzfläche durch Prozesse auf einer niedrigeren Skala bestimmt. Computergestützte Mehrskalenmethoden ermöglichen es, die Mikrostruktur und eben diese zugrundeliegenden physikalische Mikroskalenprozesse in Simulationen aufzulösen. Vor diesem Hintergrund wird in einem zweiten Projektschritt ein computergestützter Mehrskalenansatz zur Beschreibung sich entwickelnder elektromechanisch gekoppelter Grenzflächeneigenschaften etabliert, der rein phänomenologische Grenzflächenmaterialmodelle in Simulationen ersetzt. iii) Materielle Grenzflächen, wie Korn- und Phasengrenzen, beeinflussen die effektiven elektromechanischen Eigenschaften von Materialsystemen. Prinzipiell ist es möglich, diesen Einfluss durch die Betrachtung von (verallgemeinerten) repräsentativen Volumenelementen, in denen die Grenzflächen geometrisch aufgelöst werden, zu quantifizieren. Zu diesem Zweck werden im dritten Projektabschnitt etablierte computergestützte Mehrskalenformulierungen so erweitert, dass generalisierte elektromechanische Grenzflächen auf der Mikroskala berücksichtigt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen