NANOINDENTATION – HÄRTE AUF MIKROSKOPISCHER SKALA

NANOINDENTATION

Morphologie und mechanische Eigenschaften entscheiden darüber, wie und wo Werkstoffe wie Polymerblends, gefüllte Polymere und Metalle oder Keramiken eingesetzt werden. Beispielsweise werden in der Lackentwicklung für die Automobilindustrie verstärkt Nanopartikel eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften zu optimieren.

Die Kombination von nanomechanischen Messungen in Form von Nanoindentation mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) eröffnet neue Wege in der Materialentwicklung und -prüfung sowie der Fehlstellenanalyse. So lassen sich Verformungsvorgänge lokal sichtbar machen und mechanische Eigenschaften oberflächennah messen. Neben diesen quasi statischen Indentmessungen sind auch frequenzabhängige dynamische Messungen möglich. Weitere Prüfmethoden wie der Scratch- und Wear-Test werden genutzt, um die Kratzfestigkeit oder den Materialverschleiß eines Lackes zu ermitteln.

 

Siehe Abbildung: Scratch-Test an Lackoberfläche mit Rissbildung nach Materialversagen

Morphologie und Verformungen bei Lacken

Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) liefert bei Lacken Informationen zur Morphologie, u.a. über die Verteilung der Nanopartikel. Zusätzlich lassen sich die Verformungsvorgänge an der Probenoberfläche visualisieren. Klassische Methoden wie die Bestimmung der Vickers-Härte eignen sich aufgrund der hohen Lastaufbringung nicht für oberflächennahe Messungen an dünnen Schichten. Die beste Kraft- und Wegauflösung besitzt die Nanoindentation.

 

 

 

Siehe Abbildung: Eindrücke der Diamantspitze an einer Lackoberfläche nach einer 9-fachen Indentation

Tiefenregistrierende Indentierungstechniken

Tiefenregistrierende Prüfverfahren, ermitteln die mechanischen Eigenschaften eines Materials über die Verschiebung der Spitze als Funktion der Kraft, sodass noch Eindrücke mit Eindringtiefen im Nanometerbereich berücksichtigt werden können. Nanoindent-Messungen registrieren mechanische Eigenschaften innerhalb der obersten Probenlage, ohne dass die Substratschicht durch die Analyse beeinflusst wird. Während der Indentierung wird eine Kraft-Eindringkurve aufgenommen, die für die Bestimmung der Kontaktfläche zwischen Indenter und Probe ausgewertet wird. Die maximale Eindringtiefe ist aus der Kurve abzulesen. Die Kontaktfläche steht im Verhältnis zum Härtegrad des Materials. Nach Lastaufbringung erfolgt eine geregelte Entlastung, wobei die Probe rein elastisch zurückfedert. Somit kann neben der Härte, über das Prinzip der Kontaktmechanik, auch eine Aussage über die Elastizität der Oberfläche getroffen werden. Als Standardverfahren hat sich zur Auswertung von Kraft-Eindringkurven die Methode nach Oliver und Pharr durchgesetzt.

Kraft-Eindring-Kurve mit Belastung und Entlastung einer Lackschicht
Siehe Abbildung: Kraft-Eindring-Kurve mit Belastung und Entlastung einer Lackschicht
x CURRENTA CURRENTA zum Home-Bildschirm hinzufügen:
drücken und dann Zum Home-Bildschirm.