Konzepte zur Steigerung der Zähigkeit von Hard Coatings

Keramische Dünnschichtmaterialien werden typischerweise verwendet, um Werkzeuge und Bauteile vor extremer Beanspruchung zu schützen; sie finden Anwendung als Diffusionsbarrieren in der Mikroelektronik, werden aber auch in vielen anderen Anwendungen wie der Energiespeicherung und -umwandlung eingesetzt. Ein wichtiger Aspekt dieser Art von Materialien ist ihr extrem niedriger Widerstand gegen Rissausbreitung, welcher die Performance in bestehenden Anwendungen einschränkt und den Einsatz in neuen Anwendungsfeldern erschwert. In diesem Projekt entwickeln wir Konzepte zur Erhöhung der Bruchzähigkeit von Hartstoff- Beschichtungsmaterialien. Dazu nutzen wir den metastabilen Charakter künstlicher Materialien im Nanomaßstab (z. B. kubisches Aluminiumnitrid) und untersuchen deren Potenzial hinsichtlich einer Phasenumwandlungsverstärkung. Während letzteres Konzept erfolgreich in speziellen Bulk Keramiken eingesetzt wird, wurden metastabile Nanomaterialien in diesem Zusammenhang nur selten untersucht. Das andere Materialsystem, nämlich keramisches Titannitrid mit metallischen Aluminiumzwischenschichten, ist von der Natur inspiriert: Perlmutt besteht aus steifen Schichten, die sich mit dünnen nachgiebigen Schichten abwechseln und eine hohe Bruchzähigkeit ermöglichen. Die im Projekt gewählte Synthesemethode (physikalische Gasphasenabscheidung) ermöglicht es, solche bioinspirierten Designstrategien nachzuahmen, welche über viele Jahre hinweg optimiert wurden. Da die Abmessungen der Filmmaterialien in Wachstumsrichtung auf typischerweise 1 bis 5 Mikrometer begrenzt sind, sind State-of-the-Art Probenpräparation, akkurate miniaturisierte Tests und Mikroskopietechniken erforderlich, um die Bruchzähigkeit zu quantifizieren und die Mechanismen zur Steigerung der Zähigkeit grundlegend zu verstehen. Das komplementäre Fachwissen des multi-institutionellen DACH-Konsortiums (TU Wien, FZJ, KIT, MPIE) dient als solide Grundlage, um neue Wege in diesem Forschungsbereich zu gehen.

Keramische Dünnschichtmaterialien werden eingesetzt, um Werkzeuge und Bauteile vor rauen Umgebungsbedingungen zu schützen. Sie dienen als Verschleißschutzschichten, als Diffusionsbarrieren in der Mikroelektronik und finden auch Anwendung in Bereichen wie der Energieumwandlung und Energiespeicherung. Eine der größten Schwächen dieser Materialien ist jedoch ihre geringe Beständigkeit gegenüber der Ausbreitung von Rissen (geringe Bruchzähigkeit). Dies begrenzt ihre Leistungsfähigkeit in bestehenden Anwendungen und verhindert potenzielle neue Einsatzbereiche. In diesem Projekt wurden neue Konzepte entwickelt, um die Bruchzähigkeit harter Beschichtungen zu verbessern. Ein Schwerpunkt lag auf dem Verständnis der Mikrostruktur: Wir konnten zeigen, dass Risse bevorzugt entlang der Grenzen zwischen winzigen Kristallbereichen, den sogenannten Korngrenzen, verlaufen. Wird die Mikrostruktur jedoch so gestaltet, dass ein Riss nicht geradlinig verlaufen kann, sondern abgelenkt wird, lässt sich seine Ausbreitung deutlich verlangsamen. Ein zweiter Fokus lag auf der Weiterentwicklung mikromechanischer Testmethoden. Mithilfe sogenannter bridge notches in Mikrokantilever-Proben konnten wir die Bruchzähigkeit unter definierten Bedingungen messen und zeigen, wie sich Störeinflüsse durch präparative Verfahren mit energiereichen Ionenstrahlen vermeiden lassen. Diese methodischen Verbesserungen erhöhen die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit solcher Miniaturtests erheblich. Außerdem untersuchten wir spezielle Materialien, deren innere Struktur sich unter Spannung verändern kann - ein Prinzip, das theoretisch dazu beitragen kann, Risse zu bremsen. Am Beispiel von kubischem Aluminiumnitrid konnten wir diesen Effekt noch nicht eindeutig nachweisen, haben aber wichtige Grundlagen für weitere Forschungen gelegt. Durch die enge Zusammenarbeit in einem internationalen Forschungsverbund konnten unterschiedliche Kompetenzen gebündelt werden. Unsere Ergebnisse tragen dazu bei, neue Designprinzipien für robustere Beschichtungen zu etablieren. Dies kann unter anderem helfen, den Materialeinsatz zu verringern und Wartungszyklen in der industriellen Fertigung sowie der Energietechnik zu verlängern.