Materialmodellierung

Materialmodellierung am Fraunhofer IWM: die Zukunft der Materialentwicklung

 

Leistungen

 

  • Aufklärung der inneren Mechanismen von Werkstoffen und Identifikation von Ursache-Wirkung-Zusammenhängen
  • Berechnung von Materialeigenschaften und Vorhersage von Materialverhalten
  • Untersuchung und Bewertung neuartiger funktionaler Materialien und Werkstoffe
  • Entwicklung von physikalischen Modellen zur Beschreibung von Werkstoffen in ihrem komplexen Einsatz- oder Fertigungskontext


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 atomare Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung
  • thermodynamische Eigenschaften wie Bildungsenergie und Phasenstabilität
  • mechanische Eigenschaften wie elastische Konstanten, mechanische Spannungen
  • elektrische Eigenschaften wie z.B. elektrische Leitfähigkeit, Bandstruktur, dielektrische Konstanten
  • Piezoelektrizität
  • magnetische Eigenschaften wie Magnetisierung und Anisotropie
  • optische Eigenschaften wie Transparenz und Reflektivität
  • thermische Eigenschaften wie thermischer Ausdehnungskoeffizient
  • kinetische Eigenschaften wie Energiebarrieren für atomare Diffusionsprozesse

Fraunhofer IWM Videoserie: Atomistische Simulationsmethoden

Dr. Daniel Urban

Mit welcher Motivation werden atomistische Simulationen in der Materialentwicklung eingesetzt?

Wie können automatische Simulationsmethoden den Vorgang beschleunigen?

Wie können atomistische Simulationsmethoden helfen kritische Elemente zu ersetzen?

Themen

 

Quantencomputer für innovative Materialsimulation nutzen


Im Prinzip bietet ein Quantencomputer aufgrund seiner Funktionsweise ideale Voraussetzungen, um quantenchemische Vorgänge in komplexen Funktionsmaterialien abzubilden. Die aktuell verfügbare Hardware weist gegenüber dem mathematisch idealen Verhalten eines Quantenregisters jedoch noch Unvollkommenheiten auf. So ist insbesondere die Dekohärenz des Systems, das heißt der Verlust...

 

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 ...

 

Solarzellenforschung durch theoretische Berechnungen



Hybride organisch-anorganische Halogenid-Perowskite sind die vielversprechendsten photovoltaischen Absorbermaterialien, um Silizium als Material für hocheffiziente Solarzellen ersetzen oder ergänzen zu können. Diese Hybridmaterialien sind jedoch oft durch ihre geringe Stabilität und durch kritische Bestandteile wie Blei eingeschränkt...

 

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 ...

 

Materialdesign für leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien


Zur Steigerung der Effizienz und Lebensdauer zukünftiger Batteriesysteme ist ein Verständnis grundlegender physikalischer Zusammenhänge, die die Funktionalität einer Batterie auf der atomaren Skala bestimmen, unerlässlich. Durch unsere Expertise in den Bereichen Festkörperphysik und Werkstoffmechanik steht insbesondere die Kopplung mechanischer und elektrochemischer Vorgänge, die während der Be- und Entladung einer Batterie in den unterschiedlichen...

 

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

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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)

 


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)


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

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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.

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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

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