Beispiele aus der Forschung

Funktionskeramische Werkstoffe

Funktionskeramiken sind in vielen Bereichen der Technik unverzichtbar. Sie gewährleisten, oft unbemerkt für den Nutzer von Geräten, funktionale Eigenschaften (z.B. elektrische, magnetische, optische Funktionen) von einzelnen Bauelementen, welche zum Betrieb von Komponenten und ganzen Systemen notwendig sind. Damit sind funktionskeramische Werkstoffe aus vielen Bereichen der Technik, wie z.B. Informations- und Kommunikationstechnik, Sensorik, Automotive und Industrie 4.0 nicht wegzudenken.

An der Ernst-Abbe-Hochschule beschäftigen wir uns mit verschiedenen funktionskeramischen Werkstoffsystemen, beginnend bei der chemischen Synthese von feinst- und nanoskaligen Oxidpulvern, über die Optimierung der keramischen Verarbeitungstechnologie, bis hin zu werkstoffwissenschaftlichen Fragen der Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Kristallstruktur, Defektstruktur, Mikrostruktur und Funktionseigenschaften. Dabei reicht das Spektrum der Themen von grundlegenden Fragestellungen der Festkörperchemie von Oxidsystemen bis hin zu technologischen Problemen elektronischer Bauelemente.

Die Erforschung und Optimierung der Werkstoffe bzw. ihrer Anwendungseigenschaften wird an kompakten Bulkkeramiken, an Multilayer-Bauelementen, oder keramischen Schichten realisiert.

Folgende Funktionswerkstoffe werden in unserer Arbeitsgruppe bearbeitet:

  • Weichferritwerkstoffe für Induktivitäten und Leistungsüberträger
  • Mikrowellenferrite
  • Hartferrit als Werkstoffe für Permanentmagnete
  • Thermoelektrische Oxide und Komponenten
  • Piezoelektrische Werkstoffe
  • Dielektrische und Relaxormaterialien für Kondensatoranwendungen
  • Werkstoffe für Thermistoren
  • Integration von Funktionswerkstoffen in LTCC-Module
Funktionsschichten in LTCC-Keramiken

KerFunSchicht: Entwicklung keramischer Funktionsschichten für die Integration in LTCC-Mehrschichtsysteme (Low Temperature Cofired Ceramics, kurz: LTCC, dt.: Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken) des SiCer-Verbundsubstrats

Teil des Herstellungswegs keramischer Multilagenbauelemente
Intelligente Funktionskeramiken

IntelKerFun: Intelligente Keramische Funktionsmaterialien für innovative Anwendungen für Energie, Mobilität und Industrie 4.0

Werkstoffe und Komponenten der Funktionskeramik
Keramische Multilayer-Entwicklung

Ziel des Projekts "KNOW-HOW" ist die Keramische Multilayer-Entwicklung durch Neugestaltung Ontologie-basierter Wissenssysteme.
Teilvorhaben der EAH: LTCC-integrierte Ferrit-Induktivitäten unter Nutzung Ontologie-basierter Wissenssysteme (LIFIT)

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Magnetische Funktionskeramik

SAPHIR - Magnetkeramik: Hart- und weichmagnetische Ferrite der nächsten Generation für Hochleistungsanwendungen in der Elektronik und Elektrotechnik

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Metallische Konstruktionswerkstoffe

Die Ernst-Abbe-Hochschule arbeitet im Bereich der Konstruktionswerkstoffe an verschiedenen Themenstellungen:

Zum einen werden in enger Zusammenarbeit mit der Industrie metallische Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen entwickelt. Auf der anderen Seite steht die Entwicklung neuartiger metallischer Werkstoffe für verschleißbeanspruchte Bauteile im Fokus. Beide Themen erfordern eine detaillierte Charakterisierung der Werkstoffe hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, des Einsatzverhaltens sowie des strukturellen Aufbaus. Zusätzlich werden auch Schadensanalysen durchgeführt.

Hochtemperaturwerkstoffe

Für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten metallischer Werkstoffe spielen hohe Einsatztemperaturen eine bedeutende Rolle. Herausragende Beispiele sind die Energietechnik, Luft- und Raumfahrt, Glasindustrie und Medizingerätetechnik. Sehr häufig sind die Beanspruchungsbedingungen dabei sehr komplex, d. h., dass zum Beispiel neben hohen Einsatztemperaturen gleichzeitig korrosive Bedingungen das Werkstoffverhalten beeinflussen.

Die Arbeiten auf dem Gebiet der metallischen Hochtemperaturwerkstoffe umfassen Entwicklungsprojekte mit Werkstoffherstellern sowie vielfältige Untersuchungen zum Werkstoffverhalten unter sehr hohen Temperaturen. Die Ermittlung mechanischer Hochtemperatureigenschaften im Heißzug- oder Kriechversuch dienen als Grundlage zur Werkstoffauswahl sowie zur Simulation des Bauteilverhaltens unter Einsatzbedingungen.

Werkstoffe für verschleissbeanspruchte Bauteile

Viele Bauteile unterliegen bei ihrem Einsatz hohen tribologischen Beanspruchungen. Eine Reduzierung von Reibung und Verschleiß im Einsatz ermöglicht beträchtliche Einsparungen bei Energie- und Materialeinsatz. Ziel der Arbeiten auf diesem Gebiet ist es, neuartige

Werkstoffe und/oder Schichten für verschleißbeanspruchte Bauteile nutzbar zu machen bzw. ihr Potenzial für gegebene Anwendungen zu evaluieren. Dazu werden die Werkstoffe bzw. Bauteile in Verschleißtests zunächst definierten Belastungen ausgesetzt und im Anschluss umfassend untersucht. Das Forschungsinteresse besteht dabei insbesondere in der Charakterisierung der durch die Verschleißbeanspruchung hervorgerufenen Änderungen in Phasenzusammensetzung und mechanischen Eigenschaften.

Charakterisierung von Konstruktionswerkstoffen

Zur Gewährleistung einer umfassenden und qualitativ hochwertigen Charakterisierung der Werkstoffe finden eine Vielzahl von Untersuchungsmethoden Anwendung. Einen wesentlichen Schwerpunkt bilden dabei Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen Struktur, Gefüge und Eigenschaften der Werkstoffe. Neben vielfältigen metallographischen Präparationsmethoden stehen dafür Licht- und Rasterelektronenmikroskopie ebenso zur Verfügung wie klassische Verfahren zur  Prüfung mechanischer Werkstoffeigenschaften. Auch röntgenographische Methoden zur Strukturcharakterisierung sowie Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung stehen für umfangreiche Forschungsarbeiten ebenso zur Verfügung wie für Schadensanalysen sowie zur Unterstützung mittelständischer Unternehmen bei der Lösung werkstofftechnischer Probleme.

Entwicklung von hochverschleißfesten Stählen

VeraMAG: Hochverschleißfeste Stähle auf Basis metastabil-austenitischer Gefügezustände

Mikroskopische Aufnahme einer Oberfläche mit Einschlüssen aus Austenit und Martensit

Physikalische Werkstoffdiagnostik

Die Schwerpunkte der Physikalischen Werkstoffdiagnostik an der Ernst-Abbe-Hochschule Jena liegen auf den drei Gebieten der Röntgendiffraktometrie (XRD), der Elektronenmikroskopie und der Messung der physikalischen Eigenschaften von Funktionswerkstoffen (z.B. elektrische Leitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Seebeck-Koeffizient). Der Forschungsbereich Physikalische Werkstoffdiagnostik leistet damit einen nicht unerheblichen Beitrag zur Bestimmung von Struktur-/Eigenschaftsbeziehungen, deren Verständnis bei der Entwicklung neuer, smarter Materialien von grundlegender Bedeutung ist. Die bei uns hauptsächlich untersuchten Materialien sind Funktionskeramiken, Metalle und Metalllegierungen sowie in geringerem Umfang Kunststoffe und Gläser.

Röntgendiffraktometrie

Die Röntgenbeugung wird überwiegend für qualitative und quantitative Phasenbestimmungen nebst der Bestimmung von amorphen Anteilen an zumeist keramischen Proben (Pulver und Bulkmaterial) genutzt. Durch Verfeinerung der Gitterkonstanten kann die Realstruktur dieser keramischen Werkstoffe genauer charakterisiert werden. Von besonderem Interesse ist zudem die Makrotexturbestimmung mittels Polfigurmessungen wie auch die Bestimmung von Eigenspannungen im Bulkmaterial.

Bei dünnen Schichten erfolgen Phasenanalysen durch Messungen im streifenden Einfall, sowie Schichtdickenund Rauheitsbestimmmungen mittels Reflektivitätsmessungen.

In-situ-Hochtemperatur-XRD-Messungen lassen sich unter verschiedenen Gasatmosphären (Stickstoff, Sauerstoff, Vakuum) mit direkter bzw. indirekter Heizung durchführen. Ebenfalls möglich ist die Untersuchung von Phasenübergängen unter dem Einfluss von elektrischen Feldern.

Rasterelektronenmikroskopie

Typische Anwendungen in der Rasterelektronenmikroskopie sind hochauflösende Darstellungen von Probenoberflächen bis in den Nanometerbereich unter Nutzung unterschiedlicher Detektoren. Darüber hinaus befassen sich einige speziellere Fragestellungen mit der Untersuchung der Mikrotextur, der Korngrenzen sowie Strukturdefekten mittels EBSD (Electron Backscatter Diffraction) bzw. ECC (Electron Channeling Contrast).

An Abbildungs- und Analysetechniken stehen zur Verfügung:

  • Sekundär-, Rückstreu- und Scanning-Transmission Elektronenmikroskopiebilder
  • Elementanalytik (EDX)
  • Lokale Kristallorientierung und Textur (EBSD)