Nanomechanik

Nanomechanik Gruppe 2020

Nanomechanik Gruppe 2020

Die Gruppe Nanomechanik untersucht die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe auf der Mikro- und Nanometerskala. Neben der Bestimmung der Festigkeit, liegt der Fokus auf Untersuchungen zu Bruchzähigkeit, Ermüdung und zeit-abhängiger Verformung.

Die umfangreiche maschinelle Ausstattung des Instituts ermöglicht es, die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe sowohl ex-situ als auch in-situ im Rasterelektronenmikroskop und Rasterkraftmikroskop zu charakterisieren. Dank der Möglichkeit der gezielten Probenherstellung mit dem Focused Ion Beam (FIB), hat sich der Anwendungsumfang der nanomechanischen Charakterisierungsmethoden in den vergangenen Jahren enorm vergrößert und reicht derzeit von konventioneller Nanoindentierung, über die Kompression von Mikrosäulen bis hin zu in-situ Mikrobiegeexperimenten. Des Weiteren bietet der Bulge-Test zusätzliche Möglichkeiten, um die Eigenschaften von Dünnschichten, die bis zu 50 nm dünn sein können, zu erforschen.

PD Dr.-Ing. Benoit Merle

Gruppenleiter Nanomechanik

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Stefan Gabel, M.Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Manuel Köbrich, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Anna Krapf, M. Sc.

Doktorandin

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Sebastian Krauß, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Hendrik Holz, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Dipl.-Ing. Stefan Zeiler

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Risse sind für die Festigkeit eines Materials entscheidend. Die klassische Annahme ist, dass ein halb so großer Bauteil nur die Hälfte an Last tragen kann. Doch ein Riss der zur Hälfte durch ein Bauteil geht reduziert diese ertragbare Last auf einen Bruchteil. Dabei erzeugt der Riss durch seine scharfe und spitze Geometrie eine Spannungsüberhöhung an seiner Front, welche das Material an der Rissspitze versagen lässt. Dieses Versagen setzt sich durch das ganze Bauteil hindurch fort und führt zum Versagen. Spröde Materialien werden daher selbst durch mikroskopisch kleine Risse massiv geschwächt, wohingegen duktile Materialien den Riss abstumpfen lassen.
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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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MoS2 ist ein Feststoffschmiermedium, das hauptsächlich im Vakuum für schnell drehende Kontaktpaarungen Anwendung findet (zB. Röntgendrehanode). Dabei wird während der Belastung ein Tribofilm gebildet, der die Lebensdauer des Gesamtsystems bestimmt. Inwiefern die Mikrostruktur der MoS2 Schicht und deren mechanische Eigenschaften, die Bildung bzw. Degradation des Tribofilms beeinflussen ist Teil des DFG geförderten Schwerpunktprogramms SPP 2074 “Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung”.
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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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