Metallische Mikrostrukturen

Die Juniorforschungsgruppe erforscht metallische Strukturen in kleinen Dimensionen, z.B. metallische Nanosäulen und Nanopartikeln, sowie nanoskalige Dünnschichten. Es soll eine Know-how-Basis für die Mechanik und Funktion von modernen metallischen Materialien, Beschichtungen und mikro-/nanotechnischen Bauteilen geschaffen werden.

Plastizität kleinskaliger Proben

Eine Verfeinerung der Mikrostruktur führt bei metallischen Werkstoffen zu einem Anstieg der Festigkeit. Ein ähnlicher Effekt wird beobachtet, wenn die Dimension einer metallischen Struktur im Mikro- und Nanometerbereich reduziert wird. Die Ursache für diesen Größeneffekt liegt darin, dass Grenzflächen und freie Oberflächen die Versetzungsbewegung im Material beeinflussen. Ein genaues Verständnis der beteiligten Versetzungsmechanismen ist von großer Bedeutung für die Herstellung immer kleinerer Bauteile in der Elektronikindustrie, sowie für die Entwicklung neuer Hochtemperatur- und Leichtmetalllegierungen. Die Juniorforschungsgruppe verwendet für die mechanische Charakterisierung miniaturisierte Testverfahren, insbesondere die Nanoindentation sowie Mikrodruck- und Mikrozugversuche. Um neben den mechanischen Daten auch direkte Einblicke in die Verformungsmechanismen zu erhalten, werden diese Versuche auch in situ in einem Elektronenmikroskop oder in einem Röntgendiffraktometer durchgeführt. Ein besonderes Interesse gilt nanoskalig strukturierten Legierungen, um ein besseres Verständnis der Verfestigungsmechanismen kristalliner Materialen bei der Miniaturisierung zu erlangen. Dazu wird der Einfluss homogen verteilter Versetzungshindernisse auf das mechanische Verhalten metallischer Mikro- und Nanostrukturen untersucht.

Abbildung 1: Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer metallischen Nanosäule

Strukturierung von Metalloberflächen

Vielen Eigenschaften einer Oberfläche können durch eine gezielte Mikro-/Nanostrukturierung kontrolliert werden. So führen zum Beispiel säulenartige Strukturen bei Polymeroberflächen zu einer erhöhten Adhäsion und hydrophoben Eigenschaften. Aufgrund komplexer Strukturierungsverfahren gibt es wenige Erkenntnisse über den Einfluss einer Strukturierung auf die Eigenschaften von Metalloberflächen. Diese zeichnen sich jedoch gegenüber Polymeroberflächen durch eine viel höhere mechanische und thermische Beständigkeit aus. Zudem spielen die tribologischen Eigenschaften von Metalloberflächen in vielen technischen Bereichen eine große Rolle. Es ist daher ein Ziel der Juniorforschungsgruppe, Strukturierungsverfahren für Metalle zu entwickeln und deren Auswirkung auf die Oberflächeneigenschaften zu untersuchen. In Zusammenarbeit mit dem Programmbereich Funktionelle Oberflächen werden auch Hybridsysteme aus Metallen und Polymeren entwickelt, um gezielt die besonderen Eigenschaften der jeweiligen Materialklassen zu kombinieren.

Abbildung 2: Photolithographisch strukturierte Kupferschicht

Formgedächtnisoberflächen

Formgedächtnislegierungen können mittels eines externen Stimulus, wie z.B. Temperatur oder Magnetfeld, ihre Form verändern. Die Formänderung basiert auf der reversiblen martensitischen Phasenumwandlung im Metall. Durch eine geeignete Kombination von Wärmebehandlung und Verformungsprozess kann im Material ein Zwei-Wege-Formgedächtniseffekt induziert werden. Für die Herstellung thermisch oder magnetisch schaltbarer Oberflächen bzw. Oberflächenstrukturen, wird der indentationsinduzierte Zwei-Wege-Effekt an Formgedächtnisoberflächen untersucht. Schaltbare Oberflächeneigenschaften haben ein großes Anwendungspotential in zahlreichen Bereichen und sind damit von großem technologischem Interesse. Bisher gibt es jedoch kaum wissenschaftliche Erkenntnisse über Formgedächtnisoberflächen. Der Herstellungsprozess solcher Oberflächen ist sehr komplex und hängt stark von der Ausgangsmikrostruktur sowie dem anschließenden Verformungsprozess ab. Daher sind weitere experimentelle Untersuchungen notwendig, um die Herstellung von Formgedächtnisoberflächen zu optimieren und diese für spezielle Anwendungen nutzbar zu machen.

Abbildung 3: Thermisch schaltbare Mikrostrukturen auf einer Formgedächtnisoberfläche

Mechanische Eigenschaften biologischer Materialien

In Zusammenarbeit mit dem Programmbereich Biomineralisation untersucht die Juniorforschungsgruppe die mechanischen Eigenschaften von hierarchisch aufgebauten Biomaterialien mit modernsten mikromechanischen Testverfahren. Diese Experimente geben Einblicke in die komplexen Konstruktionsprinzipien der Natur und verdeutlichen die besondere Rolle eines hierarchischen Aufbaus für die mechanische Beständigkeit. Die gewonnenen Erkenntnisse können für die Entwicklung neuartiger Verbundwerkstoffe und als Richtlinie für die Mikrostruktureinstellung metallische Werkstoffe verwendet werden. Ein faszinierendes Material in diesem Zusammenhang ist Perlmutt, welches aufgrund des besonderen Aufbaus eine hohe Festigkeit bei guter Zähigkeit aufweist. In der Gruppe werden die dafür verantwortlichen Mechanismen identifiziert und für die Herstellung von neuen Verbundmaterialien eingesetzt.

Abbildung 4: Indentationsversuche an Perlmutt