FOR 1509: Ferroic Functional Materials
Type of Funding: DFG Programmes, Research Units
Abstract:
Funktionswerkstoffe sind seit dem Siegeszug der Elektronik fester Bestandteil quasi aller moderner technischer Geräte. Ihre Anwendungsgebiete erstrecken sich vom Automobil bis zur Raumfahrt, von Militäranwendungen bis hin zur Informations- und Kommunikationstechnologie. Sie tragen schon heute in hohem Maße zur Wertschöpfung bei. Eine Klasse dieser Werkstoffe sind die sogenannten „Smart Materials“. Diese sind in der Lage, eine physikalische Größe in eine andere zu transformieren. Hier sind als mögliche Umwandlungen beispielsweise Dehnungs- durch Temperaturänderungen, Magnetisierungsänderungen durch Dehnung, Viskositätsänderungen durch Magnetfelder, oder die Erzeugung mechanischer Spannungen aus elektrischen Feldern zu nennen. Je nach Anwendung kommen Skalen vom Nanometer bis hin zu Metern zum Tragen. Dementsprechend aufwendig ist eine umfassende Material- bzw. Bauteilcharakterisierung. Im Laufe der letzten Jahre ist eine vielzahl von Modellierungswerkzeugen entwickelt worden, die den Ingenieuren zunehmend erlauben, sehr kostspielige Experimente in großen Teilen der Entwicklung zu umgehen. In der Halbleiterindustrie beispielsweise ist der Wissensstand heute so weit fortgeschritten, dass ganze Rechnerarchitekturen aus dem Modell heraus entwickelt und gebaut werden können - praktisch ohne experimentelle Zwischenschritte. Aufgrund der komplexen Kopplungen zwischen den unterschiedlichen Feldgrößen ist solch ein Zugang für die Smart Materials derzeit noch nicht möglich. Einzelne Werkstoffeigenschaften sind in speziellen Modellen inzwischen hinreichend erfasst, aber die Vielfalt und wechselseitige Abhängigkeit der Effekte machen eine Modellierung, die das Bauteildesign aus der allgemeinen Werkstoffkenntnis heraus gestattet, derzeit noch unmöglich. Auch einige relativ simpel erscheinende Materialgesetze sind derzeit noch nicht in stabilen und robusten Algorithmen verankert.
Die Vision der Forschergruppe ist es, eine neue Qualität zuverlässiger, robuster Modellierungswerkzeuge für die Beschreibung der ausgeprägten Nichtlinearitäten und des komplexen Wechselspiels der unterschiedlichen Feldgrößen in ferroischen Funktionsmaterialien zu erreichen. Die erforderlichen experimentellen Daten werden sowohl originär im Rahmen eines Teilprojekts erstellt als auch aus zuverlässigen Literaturquellen entnommen. Da mögliche Ordnungsphänomene unterschiedlichster Natur sein können, wird sich die beantragte Forschergruppe auf die Kopplung von elektrischer Polarisation, Magnetisierung und Dehnung beschränken. Das Portfolio der geplanten Forschergruppe bilden somit ferroelektrische und ferromagnetische Werkstoffe sowie multiferroische Komposite. Die Eigenschaften von Funktionswerkstoffen bilden sich auf unterschiedlichsten Skalen heraus, einige bereits auf atomarer Ebene, z.B. die Magnetisierung, andere in der Einheitszelle eines Kristalls, wie die elektrische Polarisation, und andere erst, wenn diese jeweils über größere Längen oder Volumina miteinander koppeln und ordnen. Für technische Werkstoffe spielt hierbei oft das Gefüge eine entscheidende Rolle. Den Begriff Gefüge verwenden wir für die klassische Kornstruktur während die Mikrostruktur auch die funktionalen Domänenstrukturen mit einschließen soll.
Contact Person at UA Ruhr:
Prof. Dr.-Ing. Jörg Schröder, University of Duisburg-Essen
UA Ruhr Researchers:
Dr.-Ing. Thorsten Bartel, TU Dortmund University
Dr.-Ing. Dominik Brands, University of Duisburg-Essen
Jun.-Prof. Dr. Björn Kiefer, TU Dortmund University
Prof. Dr. Doru Lupascu, University of Duisburg-Essen
Prof. Dr.-Ing. Andreas Menzel, TU Dortmund University