Phasenstabilität und Wärmetransport in Yttrium-stabilisiertem Zirconiumdioxid: Eine Herausforderung für die ab initio Simulation von thermodynamischen Materialeigenschaften

• Antragsteller: Dr. Christian Carbogno
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 213040576

Die Herstellung neuartiger Materialien, die eine ideale Kombination von Eigenschaften aufweisen, ist einer der Schlüsselprozesse in der Entwicklung neuer, ressourcenschonender Technologien. Erfolge bei dieser Suche nach optimierten Werkstoffen werden aber meist nur durch kostspielige und langwierige Testreihen erzielt. Als günstige und effiziente Alternative bieten sich numerische Simulationen an: Diesbezüglich wurden in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte erzielt, insbesondere durch die Entwicklung der ab initio Methoden, die das Berechnen der elektronischen und atomistischen Struktur der Materie nur auf Grund physikalischer Grundprinzipien erlauben. Die Simulation thermodynamischer Eigenschaften mit Hilfe solcher ab initio Berechnungen ist allerdings eine bisher noch nicht endgültig gelöste Herausforderung für die theoretische Materialwissenschaft. Gangbare Lösungsansätze wurden erst in den letzten Jahren in einigen Pilotstudien veröffentlicht. Diese innovativen Methoden wollen wir in dieser Arbeit verwenden, um die thermodynamischen Gleichgewichts- (hohe Phasenstabilität) und Nicht-Gleichgewichts-Eigenschaften (geringe Wärmeleitfähigkeit) von Yttrium-stabilisiertem Zirconiumdioxid zu bestimmen. Ihretwegen wird dieser Werkstoff als Wärmedämmschicht in Gas- und Flugzeugturbinen verwendet. Eine solche Beschichtung schützt die darunter liegenden Legierungen vor den extremen Temperaturen, die bei der Verbrennung erzeugt werden, und ermöglicht infolgedessen eine höhere Betriebstemperatur und einen geringeren Treibstoffverbrauch. Ziel dieses Projektes ist es, die mikroskopischen Mechanismen zu erforschen, die den thermodynamischen Eigenschaften von Yttrium-stabilisiertem Zirconiumdioxid zu Grunde liegen. Ein Verständnis dieser Effekte erlaubt es, die Phasenstabilität und Wärmeleitfähigkeit dieses Materials gezielt zu manipulieren, um so neuartige und optimierte Wärmedämmschichten zu entwerfen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Carlos G. Levi; Professor Chris van de Walle, Ph.D.