Simulation multifunktionaler Materialien

Eine Kopplung zwischen magnetischen und elektrischen Feldern als Eigenschaft der Materie (ME Effekt) und nicht als Folge der Maxwellschen Gleichungen lässt sich in nur äußerst wenigen Kristallen und dort zudem in sehr schwach ausgeprägter Form messen. Technisch betrachtet ist diese Art der quasistatischen Umwandlung von magnetischer in elektrische Energie und umgekehrt allerdings äußerst interessant. Sie ermöglicht nämlich vielfältige Anwendungsoptionen in neuartigen multifunktionalen Geräten wie beispielsweise Datenspeichern oder im Bereich der Medizintechnik. So ist insbesondere die magnetische Messung der Gehirnaktivitäten hinsichtlich medizinischer Anwendbarkeit zu nennen. Dabei werden sehr schwache Magnetfelder, die durch kleinste elektrische Impulse der aktiven Nervenzellen induziert werden, mithilfe der Sensoren auf Basis der ME Kopplung in eine elektrische Spannung umgewandelt. Gegenüber herkömmlichen Geräten wie beispielsweise dem Magnetenzephalografen (MEG) ermöglichen magnetoelektrische Sensoren eine kostengünstigere und außerhalb des Labors einsetzbare Messapparatur. Für die Simulation dieser Werkstoffverhalten haben wir eigene numerische Berechnungswerkzeuge und Algorithmen entwickelt und sind in der Lage, die ME Kopplung zu berechnen.

Physikalisch (nicht)lineare Simulation magnetoelektrischer Verbundwerkstoffe

Die klassische Form der ME Simulation ist die Modellierung der linearen Kopplung: Magneto-Elektro-Elastische (MEE) Berechnung. In vielen Fällen ist eine MEE Berechnung allerdings nicht ausreichend. Daher haben wir neben der linearen auch physikalisch nichtlineare Berechnung (MEEn) entwickelt.

Komponenten des ME Komposite: piezoelektrische, ferroelektrische, ferromagnetische sowie magnetostriktive und nicht multifunktionale Werkstoffe.

 

Polarisations- (Fe) und Magnetisierungssimulation (Fm)

Die einzelnen Komponenten eines ME Verbundwerkstoffs weisen stark physikalisch nichtlineares und zudem bereichsweise irreversibles Verhalten auf. Daher ist es erforderlich, auch die Polarisation bzw. Magnetisierung einzelner Komponente im Vorfeld zu simulieren.

Schädigungssimulation im Polarisations- (FeD) und Magnetisierungsprozess (FmD)

Die zahlreichen rot hervorgehobenen Bereiche in der Abbildung entsprechen makroskopischen Rissen. Aufgrund von inneren Spannungen im Wesentlichen während der Polarisation und Magnetisierung kommt es zur Schädigung innerhalb der Kompositkomponente. Die Schädigung multifunktionaler Materialien reduziert die Lebensdauer des Verbundwerkstoffs und führt zur Abnahme der ME Kopplung.