Forschung am Institut für Materialwissenschaft

Das Institut Materialwissenschaft der Fakultät Ingenieurwissenschaften vertritt die Materialwissenschaft in großer Breite. Funktionswerkstoffe und Baustoffe bilden die zwei Säulen der Forschung. Nichtmetallisch-Anorganische Funktionswerkstoffe und Komposite sind der wesentliche Forschungsgegenstand im Bereich Funktionswerkstoffe. Frost und Dauerhaftigkeit in Beton sind die klassischen Baustoffthemen zu denen insbesondere im Bereich unserer Dienstleistungen viel Expertise herrscht. Werkstoffe für die thermische Isolation und Hochtemperaturbaustoffe sind dynamische neue Forschungsgebiete am Institut. Ein weiteres neues Arbeitsfeld im Baustoffbereich ist das Health Monitoring mit Hilfe akustischer Emissionen. Ergänzt werden die Aktivitäten durch organische Funktionswerkstoffe und Hybride für die Photovoltaik (die jeweiligen Flyer finden sich unten).

Our activities are part of the faculty core research field "Taylored Materials" and the UA Ruhr "Materials Chain".

Funktionswerkstoffe

Ferroelektrika und Piezowerkstoffe sind das ursprüngliche Arbeitsfeld des Lehrstuhlinhabers mit Fokus auf der Schädigung in all ihren Facetten. Themen hierzu sind mikroskopische Veränderungen auf Gefügeebene, die Wechselwirkung mit Elektroden, die Schädigung durch Mikro- und Makrorisse, Alterungsphänomene und Transport. Für die technische Anwendung in piezoelektrischen Aktoren und ferroelektrischen Speichern gilt es, die notwendigen Kenntnisse über Materialveränderungen zu erfassen, die dann eine geeignete Bauteilauslegung und Werkstoffverbesserungen ermöglichen.

Neue Schwerpunkte in diesem Umfeld sind:

  • Multiferroische Komposite und deren physiko-mechanische Charakterisierung und die
  • Entwicklung von bleifreien Piezoelektrika.

Multiferroische Komposite werden derzeit insbesondere für hochsensible Sensoren entwickelt. Kleinste Magnetfelder, wie sie z.B. in der Hirndiagnostik auftreten, können hiermit auch bei Umgebungsbedingungen nachgewiesen werden. Dieses war mit bisherigen Sensortypen nicht möglich da sie stark gekühlt werden müssen. Ziel der im Institut verfolgten Projekte ist es, Werkstoffe mit optimierten Eigenschaften zu entwickeln und insbesondere ihre mechanischen, magnetoelektrischen und remanenten Eigenschaften umfassend zu charakterisieren und einer Modellierung zugänglich zu machen. Ein möglichst vollständiges Verständnis der verschiedenen Kopplungsmechanismen von der Mikrostruktur bis zum Makrowerkstoffe ist hier wesentliches Element. Die elektrisch und magnetisch remanenten Eigenschaften können auch als elektrisch schreibbare und magnetisch lesbare Speicher nutzbar gemacht werden, was technologisch mit der Skalierung auf die Nanoskala einhergeht.

Bleifreie Piezoelektrika werden benötigt, um die derzeit verwendeten toxischen Systeme zu ersetzen. Bisher sind keine Werkstoffe bekannt, die vergleichbar gute Piezokoeffizienten erreichen, wie die bleihaltigen ferroelektrischen Verbindungen auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), der Werkstoff, der derzeit die Märkte weltweit dominiert. Aufgrund der wachsenden Sensibilisierung für Umweltfragen und den damit einher gehenden gesetzlichen Vorschriften müssen diese jedoch abgelöst werden. Größtes Problem sind derzeit die großen Verluste in den bleifreien Werkstoffen, die zu einer Erhitzung und zu sehr schneller Degradation führen. Hier gilt es, sowohl neue Mischungen auszuprobieren, als auch bereits bekannte Verbindungen durch Dotierung in ihren elektrischen und elektromechanischen Eigenschaften signifikant zu verbessern. Werkstoffentwicklung und Diagnostik sind hier die Schwerpunkte.

Ein eigenständiges Arbeitsgebiet ist die Entwicklung einer neuen Generation von organischen Heterojunction-Solarzellen. Hier sollen insbesondere sehr große Moleküle mit großen p-Elektronensystemen zum Einsatz kommen, die eine hohe Effizienz versprechen. Forschungsschwerpunkt sind strukturierte Elektroden die auf Bottom-up Techniken auf der Nanometerskala beruhen. Das größte Augenmerk ist auf große Oberflächen und optimierte optoelektrische Eigenschaften gerichtet. Hybride mit anorganischen Systemen sind Teil dieser Aktivitäten.

Baustoffe

Hochtemperaturwerkstoffe und thermische Isolation sind neue, sich dynamisch entwickelnde Bereiche der Baustoffforschung am Institut. Einerseits sollen hiermit die Herausforderungen der neuen Generation an Hochtemperaturkraftwerken (Solarthermie) und die klassische Wärmeisolation abgedeckt werden. Jeweils stehen Keramiken im weiteren Sinne oder Komposite im Vordergrund der Werkstoffentwicklung.

Der klassische Baustoff Beton wird im Wesentlichen hinsichtlich seiner Dauerhaftigkeit untersucht. So ist die Untersuchung des Einflusses der Alterung auf die innere und äußere Schädigung von Hochleistungsbeton unter Frost- und Frost-Tausalzbelastung ein eigenständiges Forschungsthema. Daneben laufen Arbeiten zur Detektion der inneren Schädigungen anhand akustischer Emissionen sowie Untersuchungen an faserhaltigen, selbstverdichtenden Beton.

Die anwendungsbezogene Werkstoffprüfung im Bauwesen ist integraler Bestandteil der Dienstleistungen des Instituts.