CLSM-AFM-Mikroskopiesystem zur 3D-Charakterisierung von Werkstoffeigenschaften

• Fachliche Zuordnung: Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544699841

Das Verständnis der topografischen Eigenschaften von Konstruktionswerkstoffen ist von entscheidender Bedeutung, da sie die mechanischen Eigenschaften maßgeblich beeinflussen. Oberflächenmerkmale bestimmen, wie Materialien auf äußere Kräfte und Umweltbedingungen reagieren. Da Ermüdungsrisse in der Regel an Oberflächendefekten wie In- und Extrusionen, Rauheit, Poren, Einschlüssen und Korrosionsnarben entstehen und zu Spannungskonzentration und Rissbildung führen, wird die Oberfläche zum begrenzenden Faktor für die Lebensdauer von Bauteilen. Im Kontext des Forschungsgroßgeräts werden multidisziplinäre Studien durchgeführt, die intermittierende Experimente und korrelative Mikroskopie beinhalten, um die Lücke zwischen mechanischer Charakterisierung, numerischer Simulation und der Verbindung zu Mikrostruktur, Topografie und physikalischen Oberflächeneigenschaften zu schließen. Im Rahmen der Forschungsinitiative werden die Möglichkeiten der Materialcharakterisierung durch die Nutzung eines konfokalen Laser Scanning Mikroskops (CLSM) in Kombination mit einem integrierten Rasterkraftmikroskop (AFM) signifikant erweitert. Mit dem kombinierten CLSM-AFM-Mikroskopiesystem wird es ermöglicht, detaillierte Analysen der Oberflächen von Metallen, Keramiken, Polymeren und Biomaterialien auf 3D-Skalen von der Nano- über Mikro- bis Makroskala durchzuführen, um Eigenschaften wie Topografie, Rauheit und Korrosion und deren Auswirkungen auf mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Ermüdungsverhalten und Rissausbreitungsmechanismen für verschiedene Werkstoffklassen zu untersuchen. Das System ermöglicht auch die artefaktfreie, berührungslose topografische Analyse von Oberflächen und die Übertragung der gewonnenen Daten in numerische Simulationen. Diese Daten können in Simulationsansätzen verwendet werden, um das mechanische Verhalten mit den Oberflächeneigenschaften zu korrelieren und darauf aufbauend Lebensdauervorhersagemodelle zu erstellen. Dies ermöglicht es, Materialreaktionen unter verschiedenen Bedingungen zu analysieren, simulieren und eine Verbindung zwischen der Beschreibung von Rissausbreitungsmechanismen und Modellen zur Vorhersage der Rissausbreitung auf Basis von Bruchflächenanalysen herzustellen. Insgesamt führt dies zur Entwicklung von robusten und zuverlässigen Auslegungskonzepten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: CLSM-AFM-Mikroskopiesystem zur 3D-Charakterisierung von Werkstoffeigenschaften
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope
• Antragstellende Institution: Technische Universität Dortmund
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Frank Walther