Computersimulation von atomarem Verhalten hin zu Gefügeeigenschaften

Materialmodellierung

Leistungen

Mit simulatorischen Methoden, basierend auf der theoretischen Festkörperphysik und Werkstoffmechanik, klären wir Materialverhalten auf und sagen Materialeigenschaften vorher.

Wir:

bieten Ihnen mit maßgeschneiderten Lösungsansätzen einen pragmatischen Zugang zu den vielfältigen Möglichkeiten der atomistischen Materialmodellierung

untersuchen und bewerten physikalisch neuartige Werkstoffe und überprüfen deren Potentiale bezüglich des geforderten Eigenschaftsprofils

reduzieren Trial-and-Error-Schleifen, indem wir den großen Raum von Möglichkeiten bei der Materialentwicklung und -optimierung schnell und effizient durchsuchen

entwickeln Modellsysteme für Werkstoffe in ihrem komplexen Einsatz- oder Fertigungskontext und reduzieren diese auf die entscheidenden Faktoren. Damit geben wir wegweisende Entscheidungshilfen für das Materialdesign und die Materialoptimierung


Der Wert unserer Simulationsrechnungen bemisst sich an den Einblicken und Erklärungen zur inneren Wirkungsweise von Werkstoffen und zu Ursache-Wirkung-Zusammenhängen.

 

Einerseits klären wir die Wechselbeziehung zwischen den physikalischen Eigenschaften eines Werkstoffs, andererseits dessen atomistischen und elektronischen Strukturen auf. Wir liefern ein Verständnis der grundlegenden Mechanismen und Zusammenhänge, welches Ihnen ermöglicht, die Ausgangsmaterialien Ihrer Produkte gezielt zu optimieren und sie somit an spezifische Einsatzbedingungen und Anforderungen anzupassen:

Struktureigenschaften wie z.B. atomare Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung

thermodynamische Eigenschaften wie z.B. Bildungsenergie und Phasenstabilität

mechanische Eigenschaften wie z.B. elastische Konstanten, mechanische Spannungen

elektrische Eigenschaften wie z.B. elektrische Leitfähigkeit, Bandstruktur, dielektrische Konstanten

Piezoelektrizität

magnetische Eigenschaften wie z.B. Magnetisierung und Anisotropie

optische Eigenschaften wie z.B. Transparenz und Reflektivität

thermische Eigenschaften wie z.B. thermischer Ausdehnungskoeffizient

kinetische Eigenschaften wie z.B. Energiebarrieren für atomare Diffusionsprozesse

Themen

 

Suche nach neuen Materialien – Sichern der Wettbewerbsfähigkeit
 

In der Industrie besteht eine hohe Nachfrage beim Design neuer Materialien, getrieben durch erhöhte technische Anforderungen und veränderte wirtschaftliche und rechtliche Rahmenbedingungen. So müssen neue Materialien maßgeschneiderte physikalische Eigenschaften aufweisen und in der Herstellung kompatibel zu bestehenden Prozessen sein. Außerdem sollen sie auf günstigen Rohstoffen basieren und nur wenige oder idealerweise ...

 

Optisch transparente und elektrisch leitende Oxide


Zentraler Bestandteil moderner Touchscreen Bildschirme, sei es beim Smartphone, dem Tablet-PC oder dem Fahrkartenautomaten, sind Dünnfilme aus oxidischen Halbleitermaterialien, die zugleich eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Transmission im sichtbaren Spektralbereich aufweisen. Für die Dünnfilmsysteme  werden überwiegend Indiumoxid-verbindungen (ITO, IZO, IGZO) oder amorphe Zinn-Zink-Oxide eingesetzt...

 

Ferroelektrische Keramikwerkstoffe für Piezo-Anwendungen


Ferroelektrika werden zur Herstellung präziser mechanischer Aktuatoren und Sensoren genutzt. Piezokeramische Bauteile kommen in vielen Anwendungsgebieten zum Einsatz, so z.B. in der Telekommunikation (Wandler), Medizintechnik (Ultraschallgeräte) oder der Automobiltechnik (Dieselmotor-Einspritzpumpen) sowie als Druck-, Kraft- und Beschleunigungssensoren ...

 

Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Karbid-, Nitrid- und Oxid-Keramiken


Keramische Materialien finden sich in fast allen ingenieurswissenschaftlichen Bereichen mit zahlreichen Anwendungen z.B. in der Automobilindustrie, der Luftfahrt, sowie der Medizintechnik. Der Grund für ihre weite Verbreitung liegt in den herausragenden mechanischen Eigenschaften, die einer hohen Temperaturbelastung standhalten. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer keramischer Bauteile können durch die...

 

Neue Hartmagnete ohne Seltenerdmetalle


Für neuartige, starke Dauermagnete besteht in den Zukunftsbranchen Elektromobilität und Erneuerbare Energien zurzeit eine sehr große Nachfrage. Die aktuell eingesetzten Dauermagnete enthalten die Seltenerdmetalle Neodym und Dysprosium. Die Versorgungssicherheit dieser Elemente wird als kritisch eingestuft, da sie zu 90% aus China importiert werden und ihre Preise am Markt stark schwanken. Wir haben uns die materialwissenschaftliche ...

 

NZP-Materialien als Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien


Ionenleitende Festkörper als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien können deren Betriebssicherheit deutlich erhöhen. Von NaZr2(PO4)3 (NZP) abgeleitete Materialien zeigen durch ein dreidimensionales Kanalnetz in der Kristallstruktur hohe Ionenleitfähigkeiten. Mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie und mit atomistischen Simulationen wird die Li-Ionen-Diffusion ...

 

 

 

Wasserstoff in Eisen und Stahl


Das Eindringen von Wasserstoff in Metalle verursacht eine Degradation von deren mechanischer Stabilität, ein als Wasserstoffversprödung bekanntes Phänomen. Die Wasserstoffversprödung beeinflusst fast alle Metalle und verursacht erhebliche technische und wirtschaftliche Schäden.  Am IWM werden die Einlagerung und die Wanderung von Wasserstoffatomen in Eisen und Nickel durch quantenmechanische und atomistische Computersimulationen ... 

 

Ausscheidungen und Strukturdefekte in Eisen und Stahl


Um die Effizienz konventioneller Kraftwerke steigern zu können, werden neue hitze- und korrosionsbeständige Stähle benötigt, die höheren Temperaturen und Dampfdrücken standhalten. Um Stähle mit hohem Chromgehalt bruch- und kriechfester zu machen, wird ein Gefüge-Design mit Z-Phasen-Ausscheidungen angestrebt. Am IWM untersuchen wir die Ausbildung dieser Nitride mit einem Multiskalenansatzes, der atomistische Simulation und ...

 

Publikationen zum Thema Materialmodellierung


Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...

Anwendungsfelder, in denen unser Know-how der physikalischen Materialmodellierung wesentliche Beiträge leisten kann, sind:

die Entwicklung und der Einsatz komplexer Funktionsmaterialien

Produkte, bei welchen Materialkombinationen und die Wechselwirkung von Materialien über die Funktion entscheiden

Funktionsbauteile, an welche extremste Anforderungen an Zuverlässigkeit und Funktionalität von Werkstoffen und Bauteilen und an Fehlerraten in der Produktion gestellt werden

die Entwicklung und Verbesserung von Materialien, wenn Versuch-Irrtum-Schleifen unwirtschaftlich und nicht zielführend sind und ein grundlegendes Verständnis der Problemstellung erforderlich ist

Zum Beispiel in der Beleuchtungstechnologie, Stahl- oder Keramikherstellung, Photovoltaik oder bei elektromagnetischen Generatoren und Elektromotoren, bei Energiespeicherung und Energieumwandlung

nach oben

Themen der Zusammenarbeit

Unerwünschte oder unverstandene Veränderungen bei den Eigenschaften bzw. der Funktion der hergestellten oder eingesetzten Werkstoffe (z.B. Schädigung und Versagen von Schutzschichten, Grenzflächenreaktionen bei Schichtfolgen, Entstehung von Mischphasen)

 

Wir untersuchen die Ursachen von Materialversagen aufgrund von mikrostrukturellen Veränderungen. Dadurch kann der Herstellungsprozess so gestaltet werden, dass eine optimale Mikrostruktur erzeugt wird, die die Belastbarkeit und Lebensdauer des Materials steigert. Ausscheidungen und Strukturdefekte in Eisen und Stahl

Vorhersage des Einflusses von Additiven auf Funktionseigenschaften. Ferroelektrische Keramikwerkstoffe für Piezo-Anwendungen

Verständnis von optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien durch „bandstructure engineering“ Optisch transparente und elektronisch leitende Oxide


Verbesserung von Werkstoffen (z.B. Schutz gegen Korrosion und Schädigung durch Wasserstoff)

Wir untersuchen und modellieren Diffusionsprozesse zum Verständnis von Korrosion und Versprödung. Das gewonnene Wissen wird eingesetzt, um wirksame Schutzschichten zu entwickeln und eine Verlängerung der Materiallebensdauer zu erreichen. Wasserstoff in Eisen und Stahl


Neuentwicklung von Werkstoffen und Substitution von Materialien (z.B. Magnet-, Batterie-, Piezowerkstoffe)

Wir untersuchen das Verhalten einzelner Atome in ihrer materialspezifischen Umgebung, so zum Beispiel Lithiumionen in Batteriewerkstoffen. NZP-Materialen als Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien

Wir entwickeln effiziente und schnelle Methoden, um einen Ersatz für kritische Elemente, etwa teure Rohstoffe oder gesundheitsschädliche Zusatzstoffe, zu finden oder die davon eingesetzten Mengen zu reduzieren. Neue Hartmagnete ohne Seltenerdmetalle

Multiskalenmodellierung zur virtuellen Entwicklung polykristalliner Werkstoffe Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Karbid-, Nitrid- und Oxid-Keramiken


Entwicklung von Werkstoffmodellen für:

Verformung (Elastizität, Plastizität, Bruch)

Schädigung (Diffusion, Reaktion, Korrosion)

Leitfähigkeit (Elektronenleitfähigkeit, Ionenleitfähigkeit)

Piezoelektrizität

Magnetismus

Optische Transparenz

Verunreinigungen

Kristallbaufehler

Ausscheidungen

Funktionalität von Metallen, Halbleitern und Keramiken

nach oben

Den zu erbringenden Leistungsumfang definieren wir gemeinsam mit unseren Auftraggebern

Eigenschaftsberechnung: Wir berechnen die Werkstoffeigenschaften eines bestehenden (zu definierenden Systems), um eine Modellvorstellung von dessen Funktion zu bekommen (z.B. Schichthaftung, Plastizität, Elastizität, Phasenstabilität)

Optimierungskonzepte: Wir simulieren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und leiten wissensbasierte Maßnahmen ab, wie man vom Ausgangszustand zu einem Zielzustand kommen kann. Unter welchen Bedingungen treten welche Effekte auf?

Entwicklungsprojekte: Wir entwickeln neue Werkstoff oder Materialkombinationen im Verbund mit Partnern


Die Formen der Zusammenarbeit richten sich nach dem Bedarf der Auftraggeber und den Erfordernissen der Aufgabenstellung und reichen von Beratungsgesprächen, Workshops oder Machbarkeitsstudien bis zu direkten FuE Auftrags- oder Verbundprojekten.

nach oben

Der Ablauf eines Projekts

Schritt 1: Input des Auftraggebers – Beschreibung der Aufgabenstellung

Eingesetzte Materialien

Herstellungsprozess

Prozessbedingungen

Auftretendes Problem


Schritt 2: Analytische Problemdiagnose

Eingrenzung in Frage kommender Werkstoffmechanismen oder -phänomene

Formulierung möglicher Ursache-Wirkung-Zusammenhänge

Priorisierung der Ursache-Wirkung-Zusammenhänge

Definition erforderlicher oder ergänzender experimenteller und theoretischer Untersuchungen

Ableiten von effizienten Strategien zur Problemlösung


Schritt 3: Überprüfung der Problemlösungsstrategie

Durchführung von Experimenten und Simulationen.

Überprüfung der Ursache-Wirkung-Zusammenhänge anhand von prototypischen Parametervariationen in der Werkstoffentwicklung oder in Fertigungsschritten beim Auftraggeber

Validieren von Zusammenhängen von Ausgangsstoffen und Fertigungsschritten mit Werkstoffeigenschaften und -funktionen


Schritt 4: Umsetzung der Problemlösung im Unternehmen

nach oben