Logo ZeTeM

Zentrum für Technomathematik

ZeTeM > Forschung und Anwendungen > Projekte > Mechanik von komplexen Verbundkeramiken

Kontakt Sitemap Impressum [ English | Deutsch ]

Mechanik von komplexen Verbundkeramiken

Arbeitsgruppe:AG Numerik PDE
Leitung: Prof. Dr. Alfred Schmidt ((0421) 218-63851, E-Mail: schmidt@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter: Dr. Bettina Suhr
Projektpartner: AG Grathwohl, Keramische Werkstoffe und Bauteile
Laufzeit: 01.10.2005 - 30.11.2006
Bild des Projekts Mechanik von komplexen Verbundkeramiken Biogene keramische Verbundwerkstoffe, bei denen Biopolymere in eine Keramik-Matrix eingebettet sind, erzielen - bei ressourcenschonender Herstellung unter physiologischen Bedingungen - eine Qualität der mechanischen Eigenschaften, die denen der Ausgangsprodukte weit überlegen ist. Die Natur ist in diesem Bereich wesentlich vielseitiger und findet integrale, multifunktionale Werkstofflösungen, die bei heutigen technischen Werkstoffen noch nicht realisierbar sind (z.B. Perlmutt, Knochen).

Die Modellierung und das systematische Verständnis der Funktionsweise ist eine der wesentlichen Herausforderungen der Materialwissenschaften [?]. Eine besondere Schwierigkeit liegt in der notwendigen Verknüpfung mikroskopischer Materialparameter und makroskopischer Funktionsweise. Zur Modellierung müssen hier mehrere Größenordnungen von der Molekül-Skala bis zur physikalischen Größe des Werkstücks überwunden werden.

Perlmutt besteht zu 95% aus Aragonit (Kalziumcarbonat) und zu 5% aus Biopolymeren[?]. Diese Biopolymere bilden eine dünne Grenzschicht zwischen den langgestreckten, stapelförmig angeordneten Kristallen, siehe Abbildung. Dadurch erhält die Schneckenschale aus Perlmutt eine fast 1000-fach höhere Bruchenergie gegenüber dem reinen Aragonit.

Da sich die Materialeigenschaften dieser Biopolymerschicht wegen ihrer Dünnheit (und der notwendigen Umwelteigenschaften) nicht experimentell bestimmen lassen, können nur verschiedene Ansätze in Simulationen des Komposit-Materials verglichen werden. Zum Einsatz kommen hier Modelle für (nichtlineare) Elastizität, Visko-Elastizität, etc. Ein Homogenisierungsansatz für die hier auftretenden nichtlinearen Materialgesetze ist noch nicht bekannt. In aufwändigen 2D- und 3D-Rechnungen, bei denen sowohl die Aragonit-Plättchen als auch die Biopolymerschicht aufgelöst werden müssen, können die mechanischen Eigenschaften des Komposit-Gefüges simuliert werden.