Zähigkeitssteigerung von Nitridkeramiken durch Nanozwillinge

Aufgrund ihrer hohen Härte, guten elektrischen und Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichneten Verschleißfestigkeit werden Übergangsmetallnitrid-Keramikbeschichtungen (TMN) häufig als Schutzbeschichtungen für Schneidwerkzeuge und Strukturkomponenten verwendet, die in extremen Umgebungen eingesetzt werden. Aufgrund einer Mischung aus ionischen, kovalenten und metallischen Bindungsanteilen sind sie jedoch auch sehr spröde und neigen leicht zu Sprödbruch. Um diese Sprödbrüche zu vermeiden, sollten TMN-Beschichtungen nicht nur eine hohe Festigkeit aufweisen, sondern auch zäh sein. Seit mehreren Jahrzehnten ist die Zähigkeitssteigerung von TMN-Keramikbeschichtungen eines der zentralen Ziele der Materialwissenschaft und der Beschichtungsbranche; dadurch werden katastrophale Ausfälle während der Anwendung vermieden. In diesem Projekt wollen wir eine neue Strategie entwickeln, um die Zähigkeit von TMN- Beschichtungen deutlich zu erhöhen und so die Schadenstoleranz zu erhöhen. Der von uns vorgeschlagene Ansatz besteht darin, zum ersten Mal eine hohe Anzahl von Nanozwillingen in die Nitridkeramikbeschichtungeneinzubringen, indemwirNitridemit relativ niedrigerer StapelfehlerenergiealsAusgangsmaterialien auswählen und die Abscheidungsbedingungen optimieren, um schließlich eine Keramikbeschichtung mit überlegenen mechanischen Eigenschaften zu entwickeln. Diese überlegenen mechanischen Eigenschaften entstehen durch diese hohe Dichte an Nanozwillingen. Basierend auf dem erhaltenen Ergebnis wenden wir uns dann Nitridbeschichtungen mit hoher Stapelfehlerenergie zu, um dort ebenso eine hohe Dichte an Nanozwillingen einzubauen. Warum kann eine hohe Anzahl an Nanozwillingen die Keramik erheblich zäher machen? Wenn eine hohe Dichte von Nanozwillingen in Keramikbeschichtungen eingebaut wird, kommt es unter Belastung zu erheblicher Rissablenkung an diesen Nanozwillingen und zu massivem Nano- Risswachstum. Dies bietet viele Möglichkeiten, die Bruchenergie abzuleiten, was die Schadenstoleranz drastisch erhöht und zu einer Zähigkeitssteigerung führt. Wir gehen davon aus, dass nanoverzwillingte Keramikbeschichtungen gleichzeitig eine hohe Festigkeit und eine hervorragende Zähigkeit erreichen und im Vergleich zu gewöhnlichen, nicht verzwillingten TMN- Keramikbeschichtungen eine ausgezeichnete Schadenstoleranz aufweisen können. Darüber hinaus verwenden wir fortschrittliche Transmissionselektronenmikroskopie, theoretische Simulationen und Modellierung, um den zähigkeitssteigernden Mechanismus durch Nanozwillingen in Keramikbeschichtungen durch Echtzeit-in-situ- und ex-situ- Strukturcharakterisierung auf vielen Größenordnungen zu untersuchen. Unser Ziel ist es, den Mechanismus auf atomarer Ebene zu verstehen. Wenn dies gelingt, werden wir einen neuartigen und praktischen Ansatz für die Konstruktion und Gestaltung neuer harter und dennoch zäher Materialien mit potenziellen Anwendungen in der Fertigungsindustrie bieten. Damit eröffnen wir ein neues Feld für TMN-Keramikbeschichtungen.