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Department WW

Forschungsprofil

 

Das Department wurde als Bestandteil der Technischen Fakultät 1966 gegründet und besteht aus neun Lehrstühlen mit 18 hauptamtlichen Professoren und ca. 170 wissenschaftlichen Mitarbeitern. Damit nimmt es im nationalen wie internationalen Vergleich eine herausragende Stellung in seiner fachlichen Breite ein.

Das Department deckt die gesamte Breite des material- und werkstoffwissenschaftlichen Forschung ab. Einzigartig für das Department ist es, dass es hier jeweils Lehrstühle für die wichtigsten unterschiedlichen Werkstoffklassen gibt und gleichzeitig sowohl naturwissenschaftlich ausgerichtete Forschung als auch die ingenieurwissenschaftliche Seite der Werkstofftechnik vertreten sind.

Forschungsschwerpunkte

Die nachfolgenden Schwerpunkte stellen eine kleine Auswahl aus den Tätigkeitsfeldern des Departments dar.

Neue Materialien und Prozesse

Auf der Grundlage der skalenübergreifenden Korrelation von Mikrostruktur und Eigenschaften werden moderne Materialien erforscht, denen eine Schlüsselrolle zukommt bei der Bewältigung globaler Herausforderungen in den Bereichen Mobilität, Kommunikation, Energieversorgung, Gesundheit und Sicherheit.

Im Vordergrund stehen hochtemperaturfeste metallische und keramische Materialien, zellulare Leichtbaumaterialien, funktionale Polymercomposite, lösungsprozessierte Halbleiter, nanostrukturierte Oberflächen und Schichtmaterialien mit speziellen katalytischen, elektronischen und optischen Eigenschaften, sowie bioaktive Materialien. Zunehmende Forschungsaktivitäten widmen sich spannenden Fragestellungen auf den Gebieten neuartiger Metamaterialien mit akustischem, optischem oder elektronischem Bandlückenverhalten durch periodische Überstrukturen, adaptiver Materialien mit stimulierten responsiven Eigenschaftsänderungen sowie skalen-übergreifender Selbstorganisationsprozesse nach dem Vorbild der Natur.

Neue Prozesse zur gesteuerten Evolution von nanoskaligen und hierarchischen Mikrostrukturen über physikalische und chemische Abscheideverfahren aus der Gas- und Flüssigphase sowie generative Fertigungsverfahren werden erforscht, um Materialien mit neuen Eigenschaftskombinationen und gesteigerter Leistungsfähigkeit zu entwickeln. Hochdurchsatzmethoden in Verbindung mit kombinatorischen Materialentwicklungsstrategien und additiver Fertigung eröffnen dabei ungeahnte Möglichkeiten für neue Verfahren und Werkstoffe die die Anforderungen der Industrie von morgen erfüllen. Der Ressourcen- und Energieeffizienz sowie der Nachhaltigkeit über den gesamt Materialkreislauf kommt dabei besondere Beachtung zu.

Das Department verfügt über eine exzellente experimentelle Ausstattung zur Herstellung, Bearbeitung und Untersuchung von Materialproben bis hin zu Bauteilkomponenten. Für die Analytik der Materialstruktur steht eine breite Palette modernster Verfahren einschließlich hochauflösender Elektronenmikroskopie, Atomsondenmikroskopie bis hin zur Großkammerrasterelektronenmikroskopie mit integrierter mechanischer Prüfanlage zur Verfügung. Ergänzt wird die experimentelle und analytische Ausstattung durch moderne Modellierungs- und Simulationsmethoden, die skalenübergreifend rechnergestützte Verfahren ab initio und molekulardynamische Ansätze über kontinuumsmechanische FE Verfahren bis hin zu physikalischen und mechanistischen Modellierungsansätzen abdecken.

Multiskalenmodellierung und -charakterisierung

Die makroskopischen Materialeigenschaften werden zum einen von den interatomaren Bindungen und dem atomaren Aufbau, zum anderen von der prozessbedingten Mikro- und Defektstruktur bestimmt. Für ein tiefgreifendes Verständnis der Materialeigenschaften und deren gezielte Beeinflussung ist daher eine Charakterisierung und Modellierung auf allen Längenskalen notwendig. Das Department Werkstoffwissenschaften hat hier einen besonderen Schwerpunkt auf der Entwicklung innovativer Charakterisierungs- und Modellierungsmethoden und deren Anwendung auf vielfältige Fragestellungen im Bereich der Struktur- und Funktionswerkstoffe.

Auf kleinsten Längenskalen erlauben eine Reihe von höchstauflösenden Mikroskopie- und Charakterisierungsverfahren einen Einblick in den atomaren Aufbau, die Bindungsverhältnisse sowie die für die Materialeigenschaften so wichtigen Defektstrukturen. So stehen den Wissenschaftlern des Departments eines der weltweit modernsten doppelt-aberrationskorrigierten Transmissionselektronenmikroskope sowie eine leistungsstarke 3D-Atomsonde für die strukturelle und chemische Analyse auf atomarer Skala zur Verfügung. Die hiermit gewonnenen Ergebnisse können direkt mit dichtefunktionaltheoretischen Rechnungen und atomistischen Simulationen verglichen werden. Daneben liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der skalenübergreifenden 3D-Charakterisierung durch komplementärer Tomographieverfahren sowie der Analyse von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen mittels vielfältiger in situ Mikroskopie- und Prüfverfahren. Dabei werden Werkstoffe auf Nano- und Mikroskala gezielt belastet und deren Materialantwort direkt beobachtet. Hierzu parallel wird die Materialantwort mit problemadaptierten Mesoskalenansätzen modelliert.

Die auf kleineren Längenskalen gewonnen Erkenntnisse finden Eingang in Kontinuumsmodelle des Bauteil- und Werkstoffverhaltens auf der Makroskala, welche z.B. mit Finite-Element-Methoden simuliert werden können. Auf dieser Skala stehen dem Department weiterhin ein breites Spektrum von modernen Prüfverfahren zur Verfügung.

Hochleistungsmaterialien für Mobilität, Energie und Life Sciences

Die Steigerung der Leistungsfähigkeit vorhandener bzw. die Entwicklung neuer Werkstoffe ist entscheidend, um die zukünftigen Herausforderungen in den Bereichen Mobilität, Energie und Life Science zu lösen.

Neue Werkstoffe und Technologien spielen eine wesentliche Rolle, um Ressourcen durch Gewichtsreduktion einzusparen, die Erzeugung und Speicherung von erneuerbarer Energie effizienter zu machen oder neue Wege in der medizinischen Implantattechnologie zu beschreiten.

Die Entwicklung der Werkstoffe erfolgt dabei parallel zur Entwicklung der jeweiligen Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse, welche entscheidend die resultierenden Material- und Bauteileigenschaften bestimmen. Neue Prozesse liefern daher auch immer das Potenzial für die Entwicklung neuer Werkstoffe. Dabei liegt der Fokus zum einen auf extrem leichten oder temperaturbeständigen Konstruktionswerkstoffen realisiert durch innovative Legierungen oder Verbundwerkstoffkonzepte. Zum anderen werden neue elektronische und halbleitende Funktionsmaterialien für die Photovoltaik  und Energiespeicherung erforscht, bei denen das atomistische und molekulare Materialdesign auf der Nanoskala entscheidend ist. Eine immer wichtigere Rolle spielen dabei innovative Prozesse wie die additive Fertigung kombiniert mit 3d und 4d digitalen Druckverfahren, die großflächige Prozessierung von nanostrukturierten Filmen mit selbstassemblierten Mikrostrukturen, die kombinatorische Hochdurchsatzforschung, das Drucken und Beschichten von Solarzellen und anderen elektronischen Bauteilen, aber auch die Entwicklung von Hochleistungsbauteilen für Flugzeugtriebwerke  oder Implantaten.

Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder

Das Department Werkstoffwissenschaften ist stark im Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) involviert. Dabei handelt es sich um einen interdisziplinären Forschungsverbund an der FAU, der seit 2007 von der DFG im Rahmen der Exzellenzinitiative gefördert wird und in allen drei Forschungsschwerpunkten des Departments Werkstoffwissenschaften aktiv ist.

Im Cluster arbeiten mehr als 200 Wissenschaftler aus 9 verschiedenen Disziplinen (Angewandte Mathematik, Chemie- und Biologieingenieurwesen, Chemie, Informatik, Elektrotechnik, Maschinenbau, Physik, Werkstoffwissenschaften und Medizin) von der Grundlagenforschung bis zur anwendungsorientierten Forschung zusammen. Die Überbrückung der Lücke zwischen molekularem Materialdesign und der Herstellung und Anwendung makroskopischer Bauteile erfordert neue Ansätze für Prozess- und Fertigungstechniken, zur Simulation und Modellierung der komplexen Verfahren sowie zur Struktur-, Eigenschafts- und Prozessanalytik. Ausgehend von einem einheitlichen methodischen Ansatz werden vier Materialbereiche bearbeitet: Nanoelektronik, Optik und Photonik, Katalyse und Leichtbau.