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Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign

Die Forschung in der Abteilung 'Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign' widmet sich den Zusammenhängen zwischen Herstellung, Mikrostruktur und den daraus resultierenden Materialeigenschaften von nanostrukturierten Werkstoffen. Der Schwerpunkt liegt auf metallischen Legierungen wie Stahl und Superlegierungen, den magnesium-, titan- und aluminium-basierten Werkstoffen, den Heussler Phasen, sowie den High Entropy Alloys. Aber auch die Verbundwerkstoffe, halbmetallische Thermoelektrika und Solarzellen-Halbleiter werden erforscht. Um die Mikrostrukturen und Materialeigenschaften eingehend zu untersuchen, werden Simulationen und Charakterisierungsmethoden von der makroskopischen Skala bis hin zur atomaren Ebene eingesetzt.  

Unsere neuesten Forschungsgruppen

Wissenschaftliche Ausrichtung

Seit den Anfängen der Menschheit sind komplexe Materialien das Rückgrat der menschlichen Gesellschaft. Heute sind sie in den Bereichen Energie, Industrie, Verkehr, Gesundheit, Bauwesen, Sicherheit und Fertigung unverzichtbar. Mit mehr als 2 Milliarden Tonnen pro Jahr stehen vor allem Metalle für massives Wirtschaftswachstum, Arbeitsplatzsicherheit und Wohlstandssteigerung. Aufgrund der Menge, die produziert und verwendet wird, spielen sie auch eine zentrale Rolle für die Nachhaltigkeit.

Derzeit treten wir aus dem Zeitalter der linearen Industrie in eine Kreislauf- und Digitalisierungswirtschaft ein. Dies bietet enorme Möglichkeiten, die Funktionsweise von Produktion, Transport und Energieversorgung zu revolutionieren. Diese Veränderungen wirken sich auf das tägliche Leben von Milliarden von Menschen aus. Fortschrittliche Materialien, ihre Herstellung und nachgelagerte Verwendung, auch in großem Maßstab, sind der Schlüssel zu diesem Übergang, da sie eine kohlenstofffreie, digitalisierte und elektrifizierte industrielle und städtische Zukunft ermöglichen.

Deshalb setzen wir alles daran, fortschrittliche Materialien für eine nachhaltige und sichere Zukunft zu verstehen, zu erfinden und zu ermöglichen.

Materialklassen und Forschungsfelder

Unsere Gruppe arbeitet an den Grundlagen der Beziehungen zwischen Synthese, Mikrostruktur und Eigenschaften komplexer, nanostrukturierter Materialien. Der Schwerpunkt liegt auf metallischen Legierungen wie Aluminium, Titan, Stählen, Legierungen mit hoher und mittlerer Entropie, metallischen Gläsern, Nanogläsern, Superlegierungen, Magnesium, Superlegierungen und Heusler-Phasen. Berücksichtigt werden auch magnetische Legierungen, biologische Materialien, Verbundwerkstoffe, halbmetallische Thermoelektrika und Solarzellenhalbleiter. Wir untersuchen auch, wie sich solche Materialien in reaktiven und rauen Umgebungen wie hohen und kryogenen Temperaturen, hohen Feldern und mechanischen Belastungen sowie unter korrosiver und Wasserstoffbelastung verhalten. Unsere Experimente zielen auf tiefgreifende und allgemeine Einsichten ab, die auf theoretischen Konzepten basieren. Wir kombinieren rechnergestützte Materialwissenschaften, maschinelles Lernen, Synthese, Verarbeitung mit Charakterisierung bis hin zu atomaren und elektronischen Skalen. Viele Projekte werden in enger Zusammenarbeit mit anderen Abteilungen und außeruniversitären Partnern verfolgt.

Spezifische Forschungsthemen von hohem Interesse

Themen von derzeit hohem Interesse sind die Nachhaltigkeit von Materialien; wasserstoffbezogene Materialantwort; Korrelative Atomsonden-Tomographie, Feldionenmikroskopie und Elektronenmikroskopie-Untersuchungsmethoden; maschinelles Lernen verbesserte Atomsonden-Tomographie; metallurgische Reduktionsmethoden auf Wasserstoffbasis; nanoskalige Deformations- und Phasentransformationsmechanismen; Thermodynamik und Kinetik bei geringen Abmessungen und begrenzten Zuständen bei Gitterdefekten; Modellierung und Experimente der gekoppelten Kristallplastizität, des Phasenfelds und des Schadens; nanoskalige Segregationstechnik; maschinelles Lernen in Materialwissenschaften und -technik; Legierungsdesign; Materialien für die additive Fertigung; die Physik von Gitterdefekten; lineare Zusammenhänge.

Einige konkrete Projektbeispiele

Wir entwickeln und wenden fortschrittliche Charakterisierungsmethoden von der atomaren Ebene bis zur makroskopischen Skala an. Beispiele sind die chemisch empfindliche Feldionenmikroskopie (FIM), die auf der Integration von Atomsonden-Tomographie (APT), FIM und maschinellem Lernen sowie der korrelativen APT- und Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) in Verbindung mit einer Reaktionskammer und UHV-Kryotransfereinheit basiert; Electron Channeling Contrast Imaging unter kontrollierten Beugungsbedingungen (ECCI); 3D-Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und cross-korelliertes EBSD; mikromechanische in-situ-Experimente mit lokaler Wasserstoffbeladung; und standardisierte kombinatorische Hochdurchsatzmetallurgie mit anschließender systematischer Werkstoffprüfung. Einige dieser Techniken werden in Zusammenarbeit mit den Gruppen von G. Dehm, C. Scheu, M. Rohwerder, J. Neugebauer, C. Freysold, R. Dunin-Borkowski  (Ernst-Ruska-Zentrum in Jülich), J. Schneider (RWTH Aachen) und G. Eggeler (RU Bochum) entwickelt und betrieben.

Wir entwerfen Experimente basierend auf theoretischen Leitlinien und führen sie unter genau kontrollierten Randbedingungen durch: zum besseren Verständnis, zur Quantifizierung und Verbesserung unserer atomaren APT- und FIM-Messmethoden arbeiten wir mit der Gruppe von J. Neugebauer an der Simulation der Feldverdampfung und Bildgasionisation sowie bei der Verwendung des maschinellen Lernens zur Erkennung kristallographischer Muster in APT-Datensätzen. In Bezug auf Thermodynamik und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen arbeiten wir auch mit internen Ab-initio-Experten zusammen, beispielsweise zu Phasengleichgewichten für bulk- und confined states und der Thermodynamik von Legierungen mit hoher Entropie. In Bezug auf konstitutive Simulationen haben wir unser internes modulares Freeware-Simulationspaket DAMASK (Düsseldorf Advanced Material Simulation Kit) weiterentwickelt. Dies ist ein hierarchisch strukturiertes Modell zur Lösung elastoplastischer Randwertprobleme unter Berücksichtigung von Schäden und thermischen Effekten.

Ein Thema, bei dem sich viele dieser Interessengebiete in der Abteilung überschneiden, ist beispielsweise das Zusammenspiel von lokaler chemischer Zusammensetzung, Phasenmetastabilität bzw. -transformationen wie z.B. im Fall von seigerungs-dekorierten Gitterdefekten. Die korrelative Untersuchung auf atomarer Ebene und die thermodynamische Theorie zeigen, dass in vielen Legierungen die Seigerung zu Gitterfehlern ein allgegenwärtiges Phänomen ist. Dieses entsteht jedoch typischerweise während des Anlassens, anstatt gezielt und eigenschaftsorientiert eingestellt zu werden. Dies hat uns motiviert, systematische "Segregation Engineering" -Experimente durchzuführen und daraus entsprechende Legierungsdesign und -verarbeitungsstrategien zu entwickeln, bei denen wir Gibbs- und Fowler-Guggenheim-artige Verzierungen von Gitterdefekten verwenden, um diese Regionen in führende chemische Strukturelemente zu verwandeln, die zu vorteilhaftem mechanischem und funktionellem Verhalten führen. Diese ortsspezifische Manipulation begrenzter Defektbereiche durch chemische Dekoration hat es uns beispielsweise ermöglicht, Gitterdefekte durch lokale Phasentransformation hinsichtlich verbesserter Kohäsion, Streuung, Bruchzähigkeit und dem Einschließen von Verunreinigungen zu optimieren. Spezifische thermodynamische Phänomene, die wir in diesem Zusammenhang entdeckt haben, sind zusammensetzungsgetriebene Phasenumwandlungen von Versetzungskernen, und die Bildung von eindimensionalen Complexions, spinodale Entmischungsvorgänge an Korngrenzen und Versetzungen, sowie örtlich begrenzte Vorläuferphasen, die der Nukleation vorangehen. Mit diesen Ansätzen und Themen führen wir die Materialtechnik bis zur atomaren Skala durch.

Abteilungsstruktur und Forschungsgruppen

Die Abteilung befindet sich im ständigen Aufbau, um rasch neue Initiativen zu etablieren und jungen, führenden Wissenschaftlern die Möglichkeit zu geben, ihre eigenen Ideen zu verfolgen. Viele dieser dynamischen Gruppen sind nicht permanent, in der Regel extramural finanziert (z. B. ERC, DFG, BMBF oder VW Stiftung). Einige andere Gruppen, hauptsächlich solche mit langfristigen wissenschaftlichen Visionen und höheren Investitions- und Entwicklungsanforderungen, sind dauerhaft (Abb. 1).

 

Abb. 1: Forschungsgruppen der Abteilung Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign und abteilungsübergreifende & Partner Gruppen

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