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Projektbeschreibung

Design und Analyse funktioneller Komposit-Materialien mit verzerrungsinduzierter magneto-elektrischer Kopplung

Magneto-elektrische Funktionswerkstoffe sind von hoher technischer Bedeutung für die Weiter- und Neuentwicklung funktioneller Systembauteile in der Medizintechnik und Informationstechnologie. Ihre herausragende Bedeutung gewinnen sie allerdings nur wenn eine ausreichend große magneto-elektrische Kopplung vorliegt. Da dies bei natürlichen Materialien in einem technisch relevanten Temperaturbereich nicht der Fall ist, kommt dem Design künstlicher magneto-elektrischer Materialien ein hoher wissenschaftlicher Stellenwert zu. Im Rahmen dieses Projektes sollen magneto-elektrische Komposite, bestehend aus einer ferroelektrischen Matrix mit magnetischen Einschlüssen, mikro-mechanisch modelliert, analysiert und makroskopisch charakterisiert werden.In der ersten Förderperiode wurde das makroskopische Verhalten magneto-elektrischer Komposite mit Hilfe eines numerischen Homogenisierungsverfahrens modelliert. Dafür war die Entwicklung geeigneter konstitutiver Materialmodelle für die magneto- und elektromechanischen Phasen, sowie die Aufstellung eines geeigneten Mikro-Makro-Übergangs für derart gekoppelte Problemstellungen notwendig. Mit den entwickelten Methoden konnten dann entsprechende Randwertprobleme simuliert und mit diesen Ergebnissen der Einfluss von Polungsprozessen der elektrischen Phase auf den magneto-elektrischen Kopplungskoeffizienten analysiert werden.Auf der Grundlage dieser Modellansätze und Algorithmen der Mehrskalensimulation wird in der zweiten Förderperiode die Verfeinerung der Modelle zur Verbesserung der Vorhersage im Hinblick auf die magneto-elektrischen Kopplungseigenschaften in Zwei-Phasen-Kompositen verfolgt. Hierzu soll zur Beschreibung des ferroischen Materialverhaltens eine Variation des Preisach-Modells verwendet werden. Für den experimentellen Abgleich sind Rekonstruktionen von realen dreidimensionalen Mikrostrukturen geplant. Die effiziente algorithmische Umsetzung realer 3D-Strukturen erfordert die Bereitstellung periodischer Randbedingungen in schwacher Form. Darüber hinaus sollen Modelle zur Beschreibung imperfekter Phasengrenzflächen für die magneto-elektro-mechanische Kopplung entwickelt werden. In dieser Förderperiode spielen die Abgleiche der ferroischen Stoffgesetze, des Phasengrenzflächenverhaltens und der makroskopischen Kopplungskoeffizienten mit entsprechenden Experimenten eine herausragende Rolle.

Veröffentlichungen

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