Susan Enders

Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften von spröden Schicht-und Kompaktsystemen durch Deformation kleiner Volumina

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 04.02.2000

Abstract
Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik stellen durch ihre Weiterentwicklung immer speziellere Anforderungen an die von ihnen verwendeten Materialien. Für viele Anwendungen ist daher die Optimierung der Materialoberfläche von entscheidender Bedeutung. Obwohl dabei große Fortschritte erzielt wurden, ist die Charakterisierung der Oberflächen besonders hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften noch im anfänglichen Stadium begriffen.
Ziel ist es, die bisherigen Erfahrungen bei der Charakterisierung von spröden Oberflächen zu nutzen und durch gezielte Experimente das grundlegende Zusammenspiel zwischen Oberflächenbeanspruchung in kleinen Volumina und Antwortfunktion des Materials herauszuarbeiten. Durch Simulation der multidisziplinären Natur des tribologischen Verhaltens eines Einzelkorns, welches gegen eine Festkörperoberfläche bewegt wird (Ritzversuche mit spitzen Indentern vom Berkovich Typ) an Standardkompaktmaterialien sollen die fundamentalen Prozesse der Reibung und Furchung im Nanometerbereich der Oberflächen untersucht werden. Dabei kann zunächst festgestellt werden, daß das tribologische Verhalten von Festkörpern mit Normalkräften FN<300mN und damit Eindringtiefen h< 2Ám nicht mehr durch die klassischen Reibungsgesetze von Amontons` beschrieben werden kann. Statt dessen wird für alle Materialien eine materialspezifische Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten vorgegebenen Normalkraft FN beobachtet. Es wird versucht, dieses Verhalten durch Ergebnisse aus Eindruckexperimenten im Nanometerbereich und aus tribologischen Untersuchungen im atomaren Bereich mittels Atomkraftmikroskopie zu erklären. Der dabei entwickelte Ansatz ermöglicht eine vollständige Interpretation der Normalkraftabhängigkeit des Reibungskoeffizienten sowohl für den Gleitreibungs- als auch für den Furchungsprozeß während des Ritzvorganges. Um eine umfassende Einschätzung der Deformation der untersuchten Systeme zu geben, wurden ebenfalls die verursachte Oberflächenverformung innerhalb und außerhalb des Kontaktbereiches mittels Atomkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Dadurch wurden detaillierte Informationen über plastische Deformationsprozesse, wie Wallbildung oder Einsinkeffekte an Gläsern und beschichteten Systemen erhalten.
Für Eindruck- und Ritzexperimente im Nanometerbereich der Oberflächen von Festkörpern ist die Kenntnis der genauen Indenterflächenfunktion von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden daher verschiedene Methoden zur Bestimmung der Indenterflächenfunktion vorgestellt und verglichen.

Because of the technical advances in the microsystems technique the requirements on the used materials are getting rapidly higher. Thus, for many applications the optimization of thematerials surface is very important. However, their mechanical characterization especially in respect of their tribological characterization is still dissatisfying.
The aim is to find out the fundamental frictional behavior of brittle surfaces by using the hitherto knowledge in mechanical characterization of brittle surfaces and selective experiments. An elementary way to simulate the multidisciplinary nature of the tribological behavior of a single asperity moving against a solid surface is the scratch test with sharp indenters of Vickers or Berkovich type. Here this test is used with normal loads FN in the mN-ÁN range to investigate the tribological parameters of the material surfaces in penetration depths in the nanometer region. The results show a strong deviation from the known Amontons┤s law, because of their strong dependence on the normal load and the contact area. Therefore a new method of data analysis was developed, which allows a full interpretation of the load dependence of the friction coefficient for both sliding and abrasive parts during the scratch process. Particular attention is also focused on the effects of adhesion forces between the moving pairs. By taking into consideration various theories about the adhesion of solids an estimation of its influence on nanoscratching tests can be given. Additionally the deformed surface inside and outside the contact area was investigated by atomic force microscopy (AFM) measurements. The results give interesting indications about plastical deformation like wall formation or sinking in effects on glasses as well as properties of coated systems. For nanoindentation and nanoscratching experiments it is very important to know the correct area function of the indenter. Therefore different methods to estimate the area function of indenters are presented as well as compared.

Keywords:
Nanoeindruckexperimente, Nanotribologie, mechanische Eigenschaften, Gläser, Sol-Gel Glasschichten, AFM, Indenterflächenfunktion

nanoindentation, nanotribology, mechanical properties, glasses, Sol-Gel glass-films, AFM, area function of the indenter

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung (1-3)
2 Bestimmung der mechanischen Kenngrößen durch Punktbelastung (4-21)
3 Die Me▀systeme - Aufbau und Wirkungsweise (22-30)
4 Lokale Deformation oberflächennaher Volumenbereiche (31-63)
5 Der Zusammenhang zwischen Verformungsmechanismus und mechanischen Eigenschaften (64-85)
6 Zusammenfassung (86-89)
7 Literaturverzeichnis (90-91)