Multiferroische Komposite - Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. Avakian, M.Sc.

Verbesserung mechanischer und funktionaler Eigenschaften multiferroischer Verbundwerkstoffe mittels linearer und nichtlinearer FEM-Simulation

 

Zusammenfassung:

Forschungsgebiet: Multiferroische/Magnetoelektrische Verbundwerkstoffe

Eine Kopplung zwischen magnetischen und elektrischen Feldern als Eigenschaft der Materie (ME-Effekt) und nicht als Folge der Maxwellschen Gleichungen (EM-Effekt) findet man nur in äußerst wenigen Kristallen und dort zudem nur in sehr schwach ausgeprägter Form. Technisch ist diese Art der quasistatischen Umwandlung von magnetischer in elektrische Energie und umgekehrt allerdings sehr interessant, da sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in neuartigen multifunktionalen Geräten wie beispielsweise Sensoren, Transducern, Speichern oder im Bereich der Spintronik ergeben. Vielversprechend ist in diesem Zusammenhang vor allem die nichtflüchtige Datenspeicherung auf Basis von elektrischen Schreib- und magnetischen Leseprozessen, weil neben hoher Datensicherheit und niedrigem Energieverbrauch viele weitere Vorteile gegenüber herkömmlichen Speichermedien erreicht werden können.

Effiziente Datenspeicherung mithilfe von MeRAMs

Festkörper mit ausgeprägtem ME-Effekt können allerdings derzeit nur als Verbundwerkstoffe entwickelt werden. Hier erfolgt die Energieumwandlung mittelbar über die elastische Verzerrung der beteiligten Phasen.

Materialgesetze im Sinne der Kontinuumsmechanik setzen dann einen Homogenisierungsprozess voraus. 

 

Forschungsschwerpunkte

Gegenstand der Forschung ist die Entwicklung geeigneter Werkzeuge zur Simulation magnetoelektrischer Verbundwerkstoffe hinsichtlich der Verbesserung derer mechanischer und funktionaler Eigenschaften. Hierfür werden gekoppelte magneto-elektro-mechanische Finite Elemente (FE) entwickelt und implementiert. Um multiferroische Strukturen kontinuumsmechanisch berechnen zu können, müssen konstitutive Gleichungen formuliert werden. In diesem Zusammenhang werden sowohl lineare und nichtlineare als auch reversible und irreversible Materialgesetze für ferromagnetische

Numerische Simulation von Hartmagneten, ferromagnetische (links) und magnetostriktive (rechts) Hysteresen
Numerische Simulation von Weichmagneten, ferromagnetische (links) und magnetostriktive (rechts) Kurven

und –elektrische Werkstoffe entwickelt.

Numerische Simulation ferroelektrischer Werkstoffe, links: ferroelektrische Hysterese und rechts: Schmetterlingshysterese

Die Kopplung von Magnetik und Elektrik erfolgt dann nicht im Sinne der Elektrodynamik transienter Felder sondern auf konstitutiver Ebene. Im Sonderfall der Magnetostatik wird, in Analogie zur Elektrostatik, ein skalares magnetisches Potential neben Verschiebungen und einem elektrischen Potential als zusätzlicher Freiheitsgrad eingeführt. Die Einbindung der entwickelten Elemente in die kommerzielle FE-Umgebung ABAQUS ermöglicht die Lösung von Randwertaufgaben der gekoppelten magneto-elektro-mechanischen Mehrfeldprobleme. Anhand der Verallgemeinerung klassischer numerischer Homogenisierungsmethoden hinsichtlich magneto-elektro-mechanischer Probleme und deren Implementierung im Rahmen der FE Methoden werden die effektiven Materialeigenschaften gewonnen.

Hierzu wird ein numerisches Tool zur automatischen Generierung pseudozufälliger 0-2-Verbundwerkstoffe mit ferromagnetischen und –elektrischen funktionalen Phasen entwickelt.

Magnetoelektrischer 0-2-Verbundwerkstoff (Matrix: Ferroelektrikum und Partikeln: Ferromagnetikum), links: elektrische Flussdichte, rechts: magnetische Induktion

Neben den 0-2 (bzw. 0-3) Partikel-Kompositen werden auch 2-2 Laminat-Komposite und 1-3 Faser-Komposite untersucht. Zur vollständigen Simulation magnetoelektrischer Verbundwerkstoffe werden verschiedene schädigungsmechanische Ansätze auf die Anwendbarkeit auf multiferroische Komposite untersucht und implementiert.

Vor dem Hintergrund der oben dargelegten Modellierungsaspekte stehen neben der Maximierung der magnetoelektrischen Kopplung auch schädigungsmechanische Untersuchungen im Hinblick auf Delaminationsprozesse und die Evolution von Mikrorissen im Fokus dieser Forschungsarbeit.

Gepolter und magnetisierter magnetoelektrischer Verbundwerkstoff mit einer ferromagnetischen Partikel in einer ferroelektrischen Matrix, a) Polarisations- sowie Magnetisierungsvektoren und b) maximale Hauptspannung in MPa