Nanomechanik

Metallische Dünnschichten kommen bei einer Vielzahl von Anwendungen, z.B. in Sensoren und in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), zum Einsatz. Dort sind sie oft zyklischen Lasten ausgesetzt. Da ihre Dicke im Mikro- oder Nanometerbereich liegt, verfügen sie über andere Eigenschaften als Bulk-Material und in dessen Folge werden andere Schädigungsmechanismen bei der Ermüdung beobachtet. Eine dominierende Rolle bei der Art der Ermüdungsschädigung spielt auch das Substrat, auf dem die Dünnschicht aufgebracht ist. Die Art der Grenzfläche, die zwischen Substrat und Schicht vorliegt, kann als hart (Dünnschicht auf Metall- oder Keramiksubstrat), weich (Dünnschicht auf Polymer) oder freistehend (Dünnschicht ohne Substrat) klassifiziert werden.
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Knochen zeigt bemerkenswerte Kombinationen von Steifigkeit und Bruchzähigkeit, wenn man bedenkt, dass er aus eher weichen (Kollagen) oder spröden (Hydroxylapatit) Grundbestandteilen besteht. Der Grund für diese Eigenschaftsverstärkung liegt im hierarchischen Aufbau des Knochens und den damit einhergehenden zähigkeitssteigernden Mechanismen. Ein solcher wichtiger Mechanismus ist die Ablenkung und der Arrest von Rissen in Zementschichten, sehr dünnen Schichten (Dicke 1-5 µm), die Osteonen in der Mikrostruktur der Kortikalis umgeben.
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Hochlegierte Materialsysteme mit einer komplexen Zusammensetzung haben in den letzten Jahrzehnten stark an Interesse gewonnen. Einige dieser sogenannten hochentropischen Legierungen, mit Basiselementen wie Co, Ni oder Fe zeigen aufgrund unterschiedlichster Verfestigungsmechanismen (siehe Abbildungen) spannende mechanische Eigenschaften, die es mittels modernen elektronenmikroskopischen und nanomechanischen Methoden zu untersuchen gilt. Hochtemperaturstähle sind ein hierzu verwandtes Legierungssystem, da diese ebenfalls auf FeNiCr basieren. Aufgrund Ihrer bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften, Oxidationsbeständigkeit, sehr guten Verarbeitbarkeit und Wirtschaftlichkeit sind diese bereits seit langem im Einsatz.
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Aufgrund der aktuellen Entwicklung von verschiedensten Modellen des maschinellen Lernens, als auch durch die Möglichkeit der additiven Fertigung, kommt es zu einer immer schnelleren und effizienteren Erforschung und Synthese neuer Werkstoffsysteme. Ob diese Systeme allerdings auch Anwendung finden, liegt oft auch an geeigneten mechanischen Eigenschaften, die ebenfalls in kürzester Zeit ermittelt werden sollen. Dazu zählen unter anderem die Spannungs-Dehnungskurve, sowie die Bruchzähigkeit und die Ermüdungslebensdauer. Leider ist deren Bestimmung – vor allem im Bezug auf die Ermüdungseigenschaften – extrem zeitaufwendig.
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