In-situ Untersuchung der 3D Mikrostrukturentwicklung und der 3D chemischen Zusammensetzung während der Verarbeitung und Fertigung moderner Werkstoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lucio Colombi Ciacchi
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316696218

Die Entwicklung neuartiger Materialien bei gleichzeitiger Optimierung der Synthese- und Fertigungsprozesse erfordert ein tiefes Verständnis mikrostruktureller Details wie Korngrößenverteilung, kristallographische Orientierung, Phasenzusammensetzung, Austauschdiffusion an heterogenen Grenzflächen, Verteilung von Poren, Hohlräumen oder Mikrorissen, Grenzflächenverbindungen usw. Dank jüngster Fortschritte in der Röntgenmikroskopie (XRM) und der Entwicklung spektroskopischer Detektoren ist die simultane dreidimensionale Abbildung von Mikrostruktur und chemischer Zusammensetzung möglich. Hierdurch eröffnen sich neue Wege für die wissensbasierte parallele Entwicklung von Materialien und Prozessen. Das MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen plant die Anschaffung und Weiterentwicklung einer modernen XRM Einrichtung im Rahmen einer gemeinsamen Initiative von sieben Institutionen in den Bereichen Materialwissenschaften, Ingenieurwissenschaften, Verfahrenstechnik, Fertigung, Materialmodellierung, Technomathematik und Informatik. Der Zugang zur dreidimensionalen Mikrostruktur und Elementverteilung wird auf zwei Wegen ermöglicht: Zum einen durch aufeinanderfolgende Analyse mit XRM und FIB/SEM, wobei Letzteres hierzu mit zusätzlichen Einheiten für die Mikroröntgenfluoreszenz und die energiedispersive Röntgenspektroskopie aufgerüstet wird, und zum anderen durch die Erweiterung des XRMs um einen spektroskopischen CdTe HEXITEC Detektor, der von unseren Kooperationspartnern an der University of Manchester entwickelt wird und die parallele Analyse gestattet. Der Effekt von rauen Prozess- und Fertigungsbedingungen wie Sintern, Schweißen und Zerspanung wird ebenso untersucht wie die Veränderungen der Mikrostruktur und der Zusammensetzung während additiver Herstellungsprozesse. Hierzu wird spezielles in-situ Zubehör entwickelt, um Materialproben unter thermischen, mechanischen und chemischen Lasten mit dem XRM untersuchen zu können. Die untersuchten Materialklassen umfassen insbesondere, aber nicht ausschließlich, Hochleistungsmetalle, kohlenstofffaserverstärke Kunststoffe und poröse Keramiken mit einem starken Fokus auf heterogene Grenzflächen, Legierungen außerhalb des Gleichgewichts, komplexe Architekturen und Sensorintegration. Neben bestehender Software ist für die Analyse und Darstellung der Messdaten die Entwicklung eigener Software geplant, wobei Benutzerfreundlichkeit und Interaktivität eine optimale Schnittstelle zwischen dem Wissenschaftler und dem untersuchten Material gewährleisten. Schließlich werden die beobachteten Mikrostrukturen und prozessinduzierten Veränderungen mittels Modellierung über alle Größenordnungen hinweg verifiziert, wozu neben quantenmechanischen und klassischen atomistischen und Coarse-grained-Simulationen auch Methoden für die Simulation der Mikrostrukturentwicklung angewendet werden, entsprechend dem Ansatz des Integrated Computational Materials Engineering.

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: 3D-Röntgenmikroskop und Zubehör
• Gerätegruppe: 4070 Spezielle Röntgengeräte für Materialanalyse, Strukturforschung und Werkstoff-Bestrahlung
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Thomas Frauenheim; Professor Dr.-Ing. Carsten Heinzel; Professor Dr.-Ing. Axel Herrmann; Professor Dr.-Ing. Walter Lang; Professor Dr. Peter Maaß; Professor Dr. Rainer Malaka; Professor Dr.-Ing. Lutz Mädler; Professor Dr.-Ing. Vasily Ploshikhin; Professor Dr.-Ing. Kurosch Rezwan; Professor Dr.-Ing. Hans-Werner Zoch
• Kooperationspartner: Dr. Christopher Egan