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Skalenübergreifende Chraktierisierung robuster funktionaler Materialsysteme

Das Forschungsprojekt untersucht die Zusammenhänge zwischen Strukturen – inklusive Defekten – auf atomistischer, mikroskopischer und mesoskopischer Größenskala und dem resultierenden makroskopisch beobachtbaren Verhalten.

Projektdauer: 6/2018 bis 6/2024
Förderumfang: 8 Millionen Euro

Das Projekt ist gefördert von der Carl-Zeiss-Stiftung im Rahmen der Sonderförderlinie 2017/2018 »Grundlagenwissenschaften mit Anwendungsbezug«.

Materialsysteme der Zukunft bestehen aus synthetischen Grundmaterialien, deren Eigenschaften und Verhalten durch die innere Struktur festgelegt werden.

Ein Zugang zum Verständnis der Zuverlässigkeit dieser Materialsysteme kann jedoch nur erfolgen, wenn die initial vorliegenden strukturellen Eigenschaften wie auch die in der Nutzungsphase

entstehenden Defekte über alle relevanten Größenskalen experimentell erfasst und theoretisch beschrieben werden können.

Forschungsschwerpunkte

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Halbleiter-
materialsysteme

Die Charakterisierung und das Engineering atomarer Defekte sowie die Positionierung einzelner Atome in kristallinen Halbleitermaterialien ermöglicht sowohl ein grundlegendes Verständnis als auch die kontrollierte Änderung von Materialeigenschaften auf der Nanoskala.


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Defect-Engineering und hybride Materialsysteme

Die neuartige Technologie der Ultraschallermüdung erlaubt es, angestrebte Lebensdauern von vielen Jahren in nur wenigen Tagen für Faserverbundwerkstoffe zu überprüfen. Dadurch können Schädigungsmechanismen, die zumeist von Defekten und Inhomogenitäten ausgehen, studiert und zur Entwicklung robuster langlebiger Materialsysteme genutzt werden.

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Mechanische Metamaterialien

Strukturen interagieren auf verschiedenen Skalen. Dieses grundlagenorientierte Verständnis wird genutzt, um Materialsysteme mit neuartigen Eigenschaften und Funktionen zu schaffen. Eingesetzt wird das Laserschmelzverfahren von Metallen, das hochaufgelöste dreidimensionale Strukturen erzeugt.

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Additive Fertigung von programmierbaren Materialsystemen

Programmierbare Materialien nutzen Mechanismen und mesoskopische mechanische Strukuren als logische Elemente um Informationen zu verarbeiten und zu reagieren. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Verhalten in die innere Struktur hineinprogrammiert ist.



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Entwicklung von in-situ computertomographischen Methoden

Die Entwicklung der letzten Jahre bei spektroskopischen Detektoren und Nanofokus-Röntgenröhren ermöglicht das Design innovativer Röntgenanalysegeräte. Sie besitzen ähnliches Leistungsvermögen wie eine Synchrotronquelle und liefern gleichzeitig Beugungsbilder, Defektverteilungen und dreidimensionale Informationen für unterschiedliche Materialsysteme.

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Methoden und Maßnahmen

Das Scharf-Projekt erforscht Materialien skalenübergreifend von der Nano- bis zur Makroskala. Dabei kommt eine Vielzahl von Methoden und Maßnahmen zum Einsatz.


PDF: Schaubild Methoden und Maßnahmen

Beteiligte Professuren

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Prof. Dr. Stefan Hiermaier
INATECH
Leiter des SCHARF-Projekts
Gips-Schüle-Professur für Sustainable Systems Engineering


stefan.hiermaier@inatech.uni-freiburg.de
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Prof. Dr. Dr. Oliver Ambacher
INATECH
Gips-Schüle-Professur für Leistungselektronik




oliver.ambacher@inatech.uni-freiburg.de
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Prof. Dr. Frank Balle
INATECH
Walter-und-Ingeborg-Herrmann-Professur für Leistungsultraschall und Technische Funktionswerkstoffe


frank.balle@inatech.uni-freiburg.de
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Prof. Dr. Michael Fiederle
Freiburger Materialforschungszentrum
Leiter SG Materialcharakterisierung & Detektortechnologie


michael.fiederle@fmf.uni-freiburg.de
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Prof. Dr. Chris Eberl
IMTEK
Professur für Mikro- und Werkstoffmechanik



christoph.eberl@imtek.uni-freiburg.de

Jahresberichte

Einblick in den aktuellen Stand der Forschung finden Sie in den Jahresberichten und Postern


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Jahresbericht 2020
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Jahresbericht 2021
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Jahresbericht 2022

Poster

Analysis of 3D metallic auxetic structures at high rates of strain using finite element DIC

Pantographic metamaterials: smart materials and their simulation methods

High resolution in-situ fatigue damage analysis and extrusion kinetics with ROCS microscopy

On the application of power ultrasonics for accelerated fatigue testing and defect engineering

Energy selective NanoCT with direct converting CdTe semiconductor detector

Fabrication of a phantom for material discrimination by X-ray spectroscopy with a 1 mm CdTe Medipix3RX detector

Diamond Tips for Quantum Magnetometry

Surface Acoustic Wave Propagation Characteristics in c-plane (0001) and a-plane (11-20) AlScN Thin Films

Full 3D Strain Field analysis with in-situ μCT based Digital Volume Correlation

Fertigungsfähigkeiten Additive Layer Manufacturing (ALM)