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Projekt
Nicht-isothermische Phasenfeldsimulation des (ultra-)schnellen Sinterns und Prozess-Mikrostruktur Optimierung
Antragstellerin
Professorin Dr.-Ing. Bai-Xiang Xu
Fachliche Zuordnung
Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung
Förderung seit 2026
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556363981
Neue Sintertechniken, wie das photonische Sintern und das ultraschnelle Hochtemperatursintern, verkürzen die Sinterdauer erheblich und steigern die Produktivität der Probenherstellung. Ihr Potenzial zur Optimierung protonischer Keramiken ist vielversprechend. Die charakteristischen thermischen Bedingungen dieser Verfahren - etwa hohe Aufheizraten und ein heterogenes Temperaturprofil - beeinflussen die Korngrenzenkinetik während des Sinterns sowie die daraus resultierende Mikrostruktur. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Einstellung von Dotierstoffen und Defektverteilungen an Korngrenzen und im Korninneren - beides entscheidend für die Protonenleitfähigkeit der Keramiken, einer Schlüsselfunktion für ihren Einsatz in protonischen elektrochemischen Zellen. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch komplex, da sie das Zusammenspiel von Verdichtung, Kornwachstum, Defektchemie und Wärmetransport umfassen. Um diese neuartigen Sintermethoden besser zu verstehen und gezielt für die Verbesserung protonischer Keramiken zu nutzen, wird in diesem Projekt ein defektchemie-informiertes, nicht-isothermes Phasenfeld-Sintermodell entwickelt. Auf Basis dieses Modells werden Hochdurchsatzberechnungen mittels Finite-Elemente-Methoden durchgeführt, um das Sintern von BaZr0 8Y0 2O3- bzw. BaCe0 4Zr0 4Y0 2O3-basierten protonischen Keramiken zu simulieren, begleitet von systematischen Parameterstudien zu Pulver- und Prozessbedingungen. Neben der Gewinnung grundlegender Erkenntnisse zu den fundamentalen Mechanismen des Sinterprozesses sollen die Simulationen eine umfangreiche Mikrostrukturdatenbasis erzeugen. Diese werden für maschinelles Lernen zur Erfassung der Prozess-Mikrostruktur-Beziehungen sowie für datengestütztes Inversdesign der Pulver- und Prozessparameter zur gezielten Einstellung der gewünschten Mikrostruktur protonischer Keramiken verwendet. Mit den angestrebten Phasenfeld-Sinterungssimulationen und den maschinellen Lernmodellen zur Analyse der Prozess-Mikrostruktur-Beziehungen leistet das aktuelle Projekt einen substanziellen Beitrag zu den übergeordneten Zielen der Forschungsgruppe SynDiPET. Gleichzeitig profitiert es in hohem Maße von der engen bilateralen Zusammenarbeit mit allen zugehörigen Teilprojekten der FOR.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
