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Department Metallkunde und Werkstoffprüfung

Design und Architektur funktionaler Werkstoffsysteme

Dr. Rostislav Daniel

Steigende Anforderungen seitens der Industrie nach langlebigem Oberflächenschutz mit verbesserten mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften sowie nach dekorativen Schichten bzw. Schichten für die Langzeitkonservierung des Grundmaterials erfordern die Entwicklung von neuen funktionalen Schichtsystemen mit einzigartigen Eigenschaften. Voraussetzung dafür ist das Verständnis der komplexen Beziehungen zwischen Mikrostruktur, chemischer Zusammensetzung, Spannungszustand sowie mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Die Komplexität dieser Beziehungen verlangt eine multidisziplinäre Herangehensweise durch die Kombination von Materialwissenschaft mit modernen und neuartigen physikalischen Experimenten und Modellierungsstudien. 

Das Bestreben der Gruppe für Design und Architektur Funktionaler Werkstoffsysteme ist die wissenschaftliche Bearbeitung solcher grundlegenden Probleme anhand von Schichten, die mit plasmaunterstützten Methoden abgeschieden werden, mit dem Fokus auf mechanische und thermo-mechanische Eigenschaften.  

Die Untersuchungen basieren auf Strukturstudien anhand von Schichttiefenprofilen mit Variationen in der Schichttextur, der Morphologie, dem Spannungszustand und den thermischen Eigenschaften, die mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie, Raman und Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie sowie mikromechanischen Untersuchungen von Verformungsmechanismen bei Zug-, Druck- und Biegebeanspruchung charakterisiert werden. Um die Effekte und Auswirkungen verschiedener Beanspruchungen der Schichten zu verstehen, werden typischerweise experimentelle Untersuchungen mit Hilfe von Nanoindentation unter Verwendung von Berkovich-, Cube-Corner- oder Kugel-Indentern durchgeführt, und mit analytischen und Finite Elemente Modellierungen kombiniert, um einen Einblick in das Spannungsfeld unterhalb der Indenterspitze zu erhalten. Die Ergebnisse erlauben die Anpassung des Spannungszustandes und der Spannungsgradienten in funktionalen nanokristallinen Einfach- und Multilagen-Schichten durch kontrolliertes Wachstum sowie durch neuartiges Schichtdesign. Dieser wissenschaftliche Ansatz stellt die Basis für ein wissensbasiertes Design von funktionalen Schichtsystemen mit verbesserter Leistung dar.

Charakterisierung von mechanischen Eigenschaften mit Hilfe der Kombination aus Nanoindentation und analytischer Modellierung