Das Center für Materialwissenschaften beschäftigt sich mit Materialanalyse und Modellierung materialwissenschaftlich relevanter Prozesse.
Der Themenbereich Materialanalytik fokussiert sich auf die Durchführung der chemischen Materialanalyse mittels in-Haus verfügbarer chemisch-spektroskopischer Methoden. Neben chemischer Charakterisierung von Oxidationsprozessen und anderweitigen Materialänderungen können wir sehr präzise Fließeigenschaften von Flüssigkeiten und pastösen Stoffen ermitteln, auch in Kombination mit Detektion der molekularen Stoffänderungen im Zuge von Scherprozessen. Darüber hinaus bieten wir Beratung bezüglich geeigneter Analysemethoden samt Ansprechpartner.
Spektroskopische Charakterisierung der chemischen Bindungen von Ölen, Fetten und Polymerwerkstoffen mittels der Schwingungsspektroskopie-Methoden
Beide Methoden ergänzen sich bezüglich des Informationsgehalts.
Spektroskopische Bestimmung von metallischen Atomen (alle Metalle schwerer als Natrium) in flüssigen und festen Proben mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF).
Rheologisch-spektroskopische Bestimmung der Topfzeit von Harzen und Lacken. Die parallele Detektion der Raman-Schwingungsspektren und der Viskositätsänderung der angemischten Substanzen erlaubt eine sehr genaue Bestimmung der Polymerisationsdauer unter konstanten Temperaturbedingung.
Rheologische Bestimmung von Öl- und Fettviskositäten.
Ermittlung von Reibungswerten bei Materialpaarungen.
Computertomographische (CT) Bestimmung von Materialinhomogenitäten (Fremdkörper / Lufteinschlüsse).
Mittels Raman-Spektroskopie lassen sich unpolare Modenschwingungen berührungslos detektieren. Trafoöl-Moleküle, die einem äußerem elektrischen Feld ausgesetzt sind, richten sich im Feld aus. Diese Dipol-induziere Ausrichtung der Kohlenwasserstoffmoleküle äußert sich in Intensitätsänderungen von bestimmten Raman-Schwingungsbanden.
Das Forschungsprojekt zielt auf die Untersuchung des Ausrichtungsverhaltens der Trafoöle in Anhängigkeit vom Wassergehalt und der Öl-Zusammensetzung. Weiterhin trägt es zur Klärung des Einflusses von Papier als Elektrodenabdeckung auf die Ölmolekülmobilität bei. Ergebnisse dieser Untersuchung sind komplementär zu optischen Kerr-Messungen und tragen zur Interpretation des Öl-Leitfähigkeitsverhaltens bei.
Mechanisches Scheren oder hochfrequente E-Felder induzieren Molekülbewegungen im Material, die zum Anstieg des Raman-Hintergrundsignals führen. Durch zeitaufgelöste Detektion der Raman-Signalintensität können wir berührungslos die Relaxationszeit infolge der Scherung ermitteln. Im Rahmen des Forschungsprojekts soll das bis heute nicht bekannte Phänomen des scherbedingten Raman-Signalanstiegs erklärt werden.
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Prof. Dr. Maja Kobus
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Prof. Dr. Maja Kobus
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Telefon +49 9721 940-8592 |
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Jürgen Schwittek
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Jürgen Schwittek
Technische Hochschule
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Der Themenbereich Multiskalen-Modellierung arbeitet an längenskalenübergreifenden Beschreibungen von Materialeigenschaften, angefangen bei chemischen Prozessen, über Moleküldynamik bis hin zu makroskopischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeiten. Unser Alleinstellungsmerkmal: wir können chemische, sowie mikro- und makroskopische dynamische Prozesse unter Wirkung von externen Feldern, z.B. elektrischen Feldern, simulieren wie sie beispielsweise in Batteriezellen, Elektrolyse- / Brennstoffzellen und Isoliermaterialen auftreten. Die Erkenntnisse der Modellierungsergebnisse führen zur gezielten Materialoptimierung. Für die numerische Umsetzung steht ein leistungsfähiger Rechencluster zur Verfügung.
Die partiellen Differentialgleichungen der Elastizitätstheorie bzw. (Elektro-)Hydrodynamik führen auf makroskopische Beschreibungen von Festkörpern und Fluiden. Die darin auftretenden Materialkonstanten sind typischerweise räumliche Mittelwerte oder Korrelationsfunktionen mikroskopischer Größen.
Im Fall von Elektrolytlösungen, z.B. verunreinigte Isolatoröle oder Batterieflüssigkeiten, liefert die Poisson-Nernst-Planck-Theorie eine mesoskopische Beschreibung der Dynamik. Größen wie z.B. die Gleichstromleitfähigkeit oder die Impedanz werden hierdurch zugänglich und machen makroskopische RC-Modelle entbehrlich.
Eine mikroskopische Beschreibung der räumlichen Struktur von inhomogenen Flüssigkeiten auf der Längenskala der Moleküldurchmesser wird durch die klassische Dichtefunktionaltheorie (DFT) möglich, in der insbesondere kurzreichweitige intermolekulare Wechselwirkungen berücksichtigt werden können. Diese Beschreibung auf molekularen Längenskalen erfordert technisch aufwändige nichtlineare Integralgleichungen, zu deren Lösung langjährige Erfahrung in der Arbeitsgruppe vorliegt.
Chemische Reaktionen, wie z.B. Redox-Reaktionen an Metall-Fluid-Grenzflächen oder Dissoziationsreaktionen, werden in der Arbeitsgruppe mit Hilfe von quantenmechanischer Dichtefunktionaltheorie (DFT) modelliert, die die molekulare Struktur auf atomaren Längenskalen auflösen kann. Hierdurch lassen sich Reaktionsraten und Reaktionspfade berechnen, auch unter Wirkung von externen E-Feldern.
Die Eigenschaften anwendungsrelevanter Materialsysteme sind häufig durch ein Zusammenspiel von Prozessen auf verschiedenen Längenskalen gekennzeichnet. Soll beispielsweise die Joulesche Wärme von Hochspannungs-Transformatoren (Abmessungen 0.1-10 m) mit Hilfe eines Isolieröls abgeführt werden, so wird Letzteres üblicherweise vom Metall der Transformatorwicklungen durch Isolierpapier (Dicke 10-100 µm) getrennt. Das in den Poren des Isolierpapiers (Durchmesser 10-100 nm) vorliegende elektrische Feld führt zu verschiedenen molekularen Prozessen (chemische Bindungslänge 100 pm) wie z.B. Redox-Reaktionen, feldverstärkte Dissozation und elektrischer Durchschlag. Das einwandfreie Funktionieren des Transformators wird nun u.a. durch die Qualität des Öls bestimmt, dessen Isolatoreigenschaft durch die erwähnten molekularen Prozesse mit der Zeit abnehmen kann.
Zur technischen Beherrschung (ggf. Vermeidung) solcher Eigenschaftsänderungen ist ein umfassendes Verständnis über das Wechselspiel der materialwissenschaftlich relevanten Prozesse auf den einzelnen Längenskalen von entscheidender Bedeutung.
Mit Hilfe von elektrischen Feldern, die zwischen geladene Oberflächen entstehen, lässt sich die Struktur von Fluiden, d.h. die Verteilung der Moleküle, sehr einfach beeinflussen, was u.a. zur gezielten Änderung der Grenzflächenspannung (Elektrobenetzung) oder der Steuerung chemischer Reaktionen (Elektrolyse bzw. Batterien) eingesetzt wird. Da Fluide immer eine mehr oder weniger hohe Konzentration an ionischen Bestandteilen besitzen, werden elektrostatische Felder bei Abwesenheit von Strömen ins Innere des Fluids hinein abgeschirmt. Die hierfür maßgebliche Abklinglänge ist bei homogenen Oberflächenladungsverteilungen durch die von der Ionenkonzentration abhängige Debye-Länge λ gegeben, die z.B. in reinem Wasser 1 µm, in gereinigten organischen Lösungsmitteln viele 100 µm und in konzentrierten Elektrolytlösungen unter 1 nm betragen kann. Es stellt sich die grundlegende Frage, wie weit eine durch inhomogene Verteilung der Oberflächenladungen erzeugte Anordnung der Fluidmoleküle ins Innere reichen kann. Information über diese Verteilung der Fluidmoleküle ist beispielsweise entscheidend für das Design von Superkondensatoren, bei denen die kapazitiven Eigenschaften der oberflächennahen Ionenanordnung ausgenutzt wird.
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Prof. Dr. Markus Bier
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Prof. Dr. Markus Bier
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Prof. Dr. Maja Kobus
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Der Themenbereich Numerische Simulation befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung von zuverlässigen und effizienten Algorithmen zur numerischen Behandlung innovativer nichtklassischer Materialgesetze und mit der Integration solcher Algorithmen in den Rahmen vorhandener allgemeiner Simulationssoftwaresysteme. Aktuell liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf gedächtnisbehafteten Materialmodellen wie etwa den auf Differentialgleichungen fraktionaler Ordnung beruhenden Modellen für viskoelastische Werkstoffe (Polymere, biologisches Gewebe usw.). Der Einsatz unserer Algorithmen gestattet Anwenderinnen und Anwendern insbesondere aus der Strukturmechanik und verwandten Bereichen eine präzise Vorhersage des Verhaltens der von ihnen entworfenen Bauteile und eine Optimierung der Auslegung dieser Komponenten.
Die Methode der finiten Elemente ist ein etabliertes und gut verstandenes Standardwerkzeug zur Simulation strukturmechanischer Prozesse. Um die Methode in der Praxis einzusetzen, benötigt man Softwaresysteme, die neben dem allgemeinen mathematischen Rahmen insbesondere auch die Materialgesetze derjenigen Werkstoffe abbilden, die in den zu simulierenden Strukturen vertreten sind. Während für zahlreiche etablierte Werkstoffklassen entsprechende Materialalgorithmen vorliegen, ist dies z. B. für viskoelastische Stoffe kaum der Fall. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass bewährte mathematische Modelle für solche Werkstoffe Gedächtniseffekte aufweisen, d. h. der aktuelle Deformationszustand hängt nicht nur von der momentan bestehenden Belastung ab, sondern von der gesamten Vorgeschichte. Dies ist ein signifikanter Unterschied zu gebräuchlichen Materialmodellen, der erhebliche softwaretechnische Auswirkungen auf die zu verwendenden Algorithmen hat.
Der Themenbereich Numerische Simulation befasst sich vor diesem Hintergrund mit der Entwicklung und Implementierung von numerischen Verfahren, mit denen solche gedächtnisbehafteten Modelle zuverlässig und effizient behandelt werden können. Gegenwärtiger Arbeitsschwerpunkt sind mathematische Modelle auf der Basis von Differentialgleichungen fraktionaler (d. h. nicht ganzzahliger) Ordnung. Solche Modelle sind erfahrungsgemäß besonders gut dafür geeignet, das Verhalten viskoelastischer Werkstoffe über längere Zeiträume akkurat zu beschreiben. Aus theoretischer Sicht hat dabei die sog. diffusive Darstellung der auftretenden Differential- und Integraloperatoren bedeutende Vorteile, weil sie im Vergleich zu traditionellen Darstellungen auf Algorithmen führt, die weniger Rechenzeit benötigen, einen erheblich geringeren Speicherbedarf für die Behandlung der Prozesshistorie aufweisen und sich mit relativ geringem softwaretechnischem Aufwand in vorhandene bewährte Finite-Elemente-Softwarepakete einbinden lassen.
Im Rahmen des von 2018 bis 2021 vom BMBF geförderten Verbundvorhabens ProVerB haben wir gemeinsam mit der Gesellschaft für numerische Simulation mbH (Braunschweig) und dem Institut für Nichtlineare Mechanik der Universität Stuttgart Materialmodelle für das Verhalten von Beton über extrem lange Zeiträume entwickelt. Hintergrund war die Nutzung des Betons als Material zur Herstellung von Barrieren und Verschlusssystemen für Endlagerstätten für radioaktive Abfallstoffe.
Innerhalb des im Jahr 2022 begonnenen und voraussichtlich bis 2025 laufenden Verbundvorhabens MuSiK, das ebenfalls vom BMBF gefördert wird, widmen wir uns wiederum gemeinsam mit dem Institut für Nichtlineare Mechanik der Universität Stuttgart der Entwicklung von Materialmodellen und zugehörigen numerischen Verfahren für die Beschreibung faserverstärkter Kunststoffe und Kunstharze. Der konkrete Anwendungsfall hierbei sind aus solchen Materialien herzustellende Bewehrungsstäbe für Beton im Hoch- und Ingenieurbau, die als Ersatz für die bisher gebräuchlichen Stahlbewehrungen dienen sollen. Wegen der im Vergleich zu Baustahl erheblich geringeren Korrosionsanfälligkeit der faserverstärkten Kunststoffe kann auf diese Weise die Lebensdauer der damit errichteten Bauwerke deutlich gesteigert werden.
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Renu Chaudhary
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Prof. Dr. Kai Diethelm
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