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NeueWerkstoffedurchMultiskalensimulation: Von derQuantenmechanikzurKontinuumstheorie Von krummenDolchen und  vergammeltenMeeresfrüchten Dierk Raabe Düsseldorf Martin Friak, Franz Roters, Tilmann Hickel, Helge Fabritius,  Stefan Zaefferer, Dierk Ponge, Pyuck Choi, Jörg Neugebauer 29. März 2010, MNU Bundeskongress, Max-Planck-Institut, Düsseldorf
Übersicht ,[object Object]
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele		Gesundheit: Titan 		Mobilität: Stahl 		Energie: Magnetwerkstoffe 		Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de
2
3 Zeitaltertragen die Namen von Materialien
4 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Eisen Kadesch 1274 v.Chr. Beginn der Eisenzeit: Erstmals Hiebwaffen aus Eisen Große Streitwagen Erster belegter Friedensvertrag Eisen als Schlüsseltechnologie
5 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Aluminium, Composite 1827 Wöhler (Reduktion von Chlorid) 1886 Heroult und Hall (Elektrolyse)
6 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Nickel, Kobalt, Stahl
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8 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Si, Au, C, Cu
9 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Co, Ti, Cr, Mo
10 Neue Werkstoffe führen zu Schlüsseltechnologien: Beispiele Selbstheilende Materialien, Elektronische Polymere, regenerative Biowerkstoffe, Halbleiter für die Lichttechnik, Batterien, Thermoelektrika….. www.mpie.de
Übersicht ,[object Object]
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele		Gesundheit: Titan 		Mobilität: Stahl 		Energie: Magnetwerkstoffe 		Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de
12 Ab initio Methoden für neue Werkstoffe ,[object Object]
Experimente auf atomarerebene
Daten ermitteln, die anders nicht gewonnen werden können
Kontinuumstheorie
EleKtronischeRegelnfürneuewerkstoffe (elektronen-legieren)Counts, Friák, Raabe, Neugebauer: Acta Mater. 57 (2009) 69
13 Empirische Vorgehensweisen haben die Entwicklung dominiert www.mpie.de
Übersicht ,[object Object]
Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele		Gesundheit: Titan 		Mobilität: Stahl 		Energie: Magnetwerkstoffe 		Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de
Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung h/(2p) Viele Teilchen Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
Zeit-unabhängige Schrödinger Gleichung für viele Teilchen i Elektronen: 	Masse me; Ladung qe= -e;  Koordinaten rei j Kerne:	Masse mn ; Ladung qn= ze; Koordinaten rnj Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
Adiabatische Born-Oppenheimer Approximation Entkopplung der Kern- und Elektronendynamik Elektronen Atomkerne Raabe: Adv. Mater. 14 (2002)
Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie Die Energie des Grundzustandes eines Vielkörpersystems ist eine eindeutige Funktion der Teilchendichte Das Funktional E(n(r)) hat sein Minimum bezüglich einer Variation der Teilchendichte bei der Gleichgewichtsdichte n0(r) Chemistry Nobelprice 1998 Hohenberg   Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864
19 Hohenberg-Kohn-Sham Theorem: Dichtefunktionaltheorie Hohenberg   Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864
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Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele		Gesundheit: Titan 		Mobilität: Stahl 		Energie: Magnetwerkstoffe 		Multifunktional: Meeresfrüchte www.mpie.de
21 Werkstoffe für Schlüsseltechnologien: Herausforderungen Mega-Themen für neue Werkstoffe Energie Wasser Gesundheit Mobilität Information Infrastruktur
22 20-25 GPa 115 GPa NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur Spannungs-Abschattung (Stress shielding) ElastischeFehlpassung:  Knochenauflösung, Abrasion, Entzündung Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
23 NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur Design-Aufgabe: HerabsetzungderelastischenSteifigkeit Kubisch-raumzentrierteGitterstruktur: Ti-Nb, … Bio-kompatibleElemente Ti Ti-Nb M. Niinomi, Mater. Sci. Eng.  1998 Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
24 NeueBiowerkstoffe: TitanimplantatemitkubischerGitterstruktur Freie Energie F(x,c,T) = U – T · S  U: Dichtefunktional-Theorie(DFT) S: Konfigurationsentropie Elastischer Tensor Vielkristall-Steifigkeit (Homogenisierung) ZweiPhasen Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
25 Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit Raabe, Sander, Friák, Ma, Neugebauer: Acta Mater. 55 (2007) 4475
26 ,[object Object]
Ti – 35 Nb - 7 Zr - 5 Ta: 59.9 GPa (elastic isotropic)Von ab-initio zur Vielkristall-Steifigkeit Raabe, Zhao, Park, Roters: Acta Mater. 50 (2002) 421
27 Kernaussage Jährlich werden weltweit mehr als eine Million Hüftprothesen eingesetzt: Die wissensbasierte Entwicklung elastisch weicher Titanlegierungen vermindert die Zahl der Operationen www.mpie.de
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Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele		Gesundheit: Titan 		Mobilität: Stahl 		Energie: Magnetwerkstoffe 		Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
29 Zugversuch: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften
30 Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen Martensit- bildung 1000 800 600 400 200 0 Zwillingsbildung Stress s [MPa] konventionell 0                20              40                60               80              100 Strain e [%] www.mpie.de
31 Ab-initio Entwicklung höchstfester Eisen-Mangan Legierungen Martensit- bildung 1000 800 600 400 200 0 TRIP Zwillingsbildung Stress s [MPa] TWIP 0                20              40                60               80              100 Strain e [%] www.mpie.de
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Beispiele		Gesundheit: Titan 		Mobilität: Stahl 		Energie: Magnetwerkstoffe 		Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)
58Ni+2 56Fe+2 48Ti+2 55Mn+2 200 nm 60Ni+2 54Fe+2 initiated evaporation by or 24                     26                     28   time of flight  mass / charge state  Time of flight  spatial resolution  layer-by-layer 100 nm –  high  voltage  10 kV + 3D Atomsonde LEAP (Local Electrode Atom Probe) 3D reconstructed  model of specimen (100 Millions of atoms) Raabe, Ohsaki, Hono: Acta Materialia 57 (2009) 5254
Atomare Analyse und ab initio Modelle Cu Fe 100nm 35 Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
36 Fe-Si-Cu, LEAP 3000X HR Cu 2 wt.% 120 min 450°C aging 6000 min Iso-concentration surfaces for  Cu 11 at.% 20 nm 20 nm Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
41 Ab-initio, DFT / GGA, Bindungsenergien (attractive) = -0.245 eV / atom Fe-Si steelwithCu nano-precipitates
42 Kernaussage Es gibt ca. 40 Millionen PKWs auf deutschen Straßen Höchstfeste Weichmagnete in PKW-Elektromotoren  und Transformatoren können CO2 reduzieren www.mpie.de
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Ab initio Methoden für Werkstoffentwicklung
Ab initio Einführung
Beispiele		Gesundheit: Titan 		Mobilität: Stahl 		Energie: Magnetwerkstoffe 		Multifunktional: Meeresfrüchte Raabe: Adv. Mater. 14 (2002), Roters et al. Acta Mater.58 (2010)

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