Grenzflächen-dominiertes Ermüdungsverhalten dünner Schichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Benoit Merle
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428963851

Da ihre Dicke in der Mikro- oder Nanoskala angesiedelt ist, verfügen Dünnschichten über einzigartige Eigenschaften, die sie bei einer Vielfalt von Anwendungen sehr beliebt machen. Dünne metallische Schichten eignen sich zum Beispiel für die elektrische Leitung in starren und flexiblen elektronischen Bauteilen und Sensoren, für verspiegelte Oberflächen in Raumschiffen, für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und für Kühlkörper. Bei den meisten Anwendungen werden Dünnschichten einer zyklischen mechanischen Belastung ausgesetzt, die andere Schädigungsmechanismen bewirken kann, als eine monotone Belastung. Darüber hinaus verhalten sich Dünnschichten – aufgrund ihrer Grenzfläche mit dem Substrat – mechanisch anders als massive Proben. Dies liegt daran, dass die Grenzfläche die Versetzungsbewegung einschränkt, die ein Versagen mittels Extrusionen, Rissen oder Delamination der Schicht verursacht. Bisher wurde jedoch noch nicht untersucht, inwiefern das Ermüdungsverhalten vom Charakter der Grenzfläche abhängt. Grenzflächen können als hart (Dünnschicht auf Keramik- oder Hartmetallsubstrat) oder weich (Dünnschicht auf Polymer) betrachtet werden und manche Dünnschichten besitzen gar keine Grenzfläche, da sie freistehend sind. Die Rolle der Grenzfläche auf das Ermüdungsverhalten wurde jedoch noch nicht hinreichend untersucht. Es wird angenommen, dass der Charakter der Grenzfläche der bestimmende Faktor für die dominierenden Verformungsmechanismen und das Versagen der Dünnschicht ist. Daher schlagen wir eine systematische Untersuchung vor, die dank fortgeschrittener in-situ mikromechanischer Methoden den Einfluss des Grenzflächencharakters (hart/weich/freistehend) auf das Verformungsverhalten und das Versagen der Dünnschichten klären soll. Es ist geplant, hochmoderne mikromechanische Prüfverfahren zu verwenden, um die Rolle des Grenzflächencharakters auf die Verformungsmechanismen und auf das Versagen der dünnen Metallfilme zu untersuchen. Dies beinhaltet den Bulge Test sowie Methoden der Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie. Diese Methoden werden in-situ mit einer zyklischen Beanspruchung kombiniert, um die Verformung der Schichten, sowie mögliche Prozesse wie Kornvergröberung, Delamination, Extrusion- oder Rissbildung zu beobachten. Nur dank dieser unmittelbaren Beobachtung kann zwischen Mikrostruktur- und Grenzflächeneffekten unterschieden werden. Die fortgeschrittenen Methoden und die ausgewiesene Expertise im Bereich der Dünnschichten, bildet die Grundlage der Zusammenarbeit zwischen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Dr. Benoit Merle) und dem Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaft (Dr. Megan Cordill). Aus den zum Grenzflächen-abhängigen Versagen gewonnen Erkenntnissen wird eine mechanistische Modellierung erstellt, die zuverlässigere Kriterien zur Planung von ermüdungsbeständigen Dünnschichten ermöglichen soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerin: Privatdozentin Dr. Megan J. Cordill