Einfluss von Grenzflächen auf die mechanischen Eigenschaften von Hartstoffschichten

Dünnschichten weisen ein breites Anwendungsspektrum auf, welches von der Mikroelektronik, über Wär- meschutzschichten in Turbinen oder Flugzeugtriebwerksteilen bis hin zu Verschleißschutzschichten reicht. Letztere werden verwendet um technische Komponenten, z.B. Schneidwerkzeuge, von äußeren Belastungen und rauen Umgebungsbedingungen zu schützen. Idealerweise sollten Hartstoffschichten dabei sowohl hart als auch zäh sein. Wie in der Literatur berichtet, kann die Härte dieser meist keramischen Schichten um eini- ge hundert Prozent gesteigert werden, wenn zwei Materialien in einer Multilagenarchitektur kombiniert wer- den. Die Einzellagendicke beträgt dabei einige wenige Atomlagen und ist als "Superlattice bekannt. Vor kurzem haben die Autoren den experimentellen Beweis erbracht, dass Superlattices nicht nur signifikant die Härte sondern auch die Bruchzähigkeit erhöhen, das heißt den Widerstand der Schicht gegen die Ausbreitung schon vorhandener Risse. Da die Lagendicke im Nanometer-Bereich liegt, stellen die Grenzflächen zwischen den Lagen die entscheidenden Bausteine dar, die die Schichteigenschaften bestimmen, da ihr Volumenanteil invers mit der Lagendicke skaliert. In unserem Projekt soll der Einfluss der Superlattice-Architektur (beispielsweise Lagendicken und Volumen- Verhältnis der kombinierten Materialien), der Grenzflächen-Eigenschaften (Grenzflächenweite, Zusammen- setzung und Struktur) sowie von Verunreinigungen auf die mechanischen Eigenschaften untersucht werden. State-of-the-art Mikromechanik Experimente sollen die Bestimmung der mechanischen Materialeigen- schaften ermöglichen, welche mit konventionellen experimentellen Methoden nicht zugänglich sind. Dabei werden mittels einem fokussierten Ionenstrahl (Focused Ion Beam - FIB) mikrometergroße Proben (vorge- kerbte Biegebalken, Mikro-Pillar, Mikro-Zugproben) aus dem Superlattice Harstoffschichten herauspräpa- riert. Die Proben werden bis zum Bruch in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) mit einem Pico- Indenter belastet. Die gleichzeitige Aufzeichnung der Last-Durchbiegungs-Kurven und der REM Bilder wäh- rend der Versuche wird die Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften (Bruchzähigkeit, Scher- und Zugfestigkeit) und die Beobachtung von Riss-initiierungs und ausbreitungs Ereignissen in den Superlattice Strukturen ermöglichen. Um ein fundamentales Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Superlat- tice Strukturen zu bekommen, werden ergänzend zu den experimentellen Studien quantenmechanische Simu- lationen durchgeführt und die Kontinuumstheorie der Versetzungen angewandt werden. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt sollen dazu beitragen die Performance von neuen Materialien mit besonderer Architektur zu verstehen und substantiell zu verbessern. 1

Das zentrale Ergebnis dieses Projekts ist die Entschlüsselung der Mechanismen, die die Ausbreitung von Rissen in künstlich nanostrukturierten Werkstoffen auf atomarer Ebene effektiv erschweren. Bei der industriellen Bearbeitung von Metallen entstehen an den Werkzeugen extreme mechanische Belastungen und sehr hohe Temperaturen. Um diese Bauteile vor schnellem Verschleiß zu schützen, kommen hauchdünne keramische Schutzschichten zum Einsatz. Diese Materialien zeichnen sich zwar durch eine enorme Härte aus, sind jedoch von Natur aus sehr spröde und neigen unter Belastung zu Rissbildung. Im Rahmen des Projekts wurde untersucht, wie sich dieses Problem durch den Einsatz von nanostrukturierten Werkstoffen lösen lässt. Im Zentrum standen sogenannte Superlattice-Schichten. Dabei handelt es sich um künstliche Strukturen, bei denen zwei verschiedene Materialien in abwechselnden, nur wenige Atomschichten dicken Lagen übereinandergestapelt werden. Während die hohe Härte dieser Strukturen in der Wissenschaft bereits gut dokumentiert ist, erforschte dieses Projekt gezielt die Mechanismen, die die Ausbreitung von Rissen in diesen Schichten behindern. Durch die enge Verknüpfung von Laborversuchen und computergestützten Simulationen konnten die zugrundeliegenden Effekte auf atomarer Ebene entschlüsselt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die kristalline Struktur der Schichten eine entscheidende Rolle für deren Leistungsfähigkeit spielt. Wenn die Beschichtungen als fehlerfreie Einkristalle hergestellt werden, weisen sie eine deutlich höhere Zähigkeit und Festigkeit auf als polykristalline Gefüge. Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die gezielte Kombination der Schichtmaterialien: Das Zusammenspiel von steifen und nachgiebigen Lagen erschwert die Rissausbreitung effektiv. Damit diese positiven Eigenschaften voll zum Tragen kommen, müssen die Grenzflächen zwischen den einzelnen Atomschichten atomar scharf ausgeprägt sein. Verschwimmen diese Übergänge durch die Vermischung der Materialien, sinkt der mechanische Risswiderstand. Diese Erkenntnisse besitzen eine hohe Relevanz für die industrielle Praxis. Werkzeuge, die mit diesen optimierten Nanostrukturen beschichtet werden, weisen eine signifikant längere Lebensdauer auf. Dies ermöglicht höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und steigert die Produktivität in modernen Fertigungsprozessen. Damit leistet das Projekt auch einen Beitrag zu den globalen Nachhaltigkeitszielen. Die verlängerte Lebensdauer der beschichteten Komponenten schont Ressourcen und spart Energie. Da die herausragenden mechanischen Eigenschaften rein durch das geometrische Design auf atomarer Ebene erzielt werden, kann auf zusätzliche chemische Legierungselemente verzichtet werden.