Ermüdungsrisswachstum in Meso-/Mikro- und Nanoproben

Um elektronische Geräte, wie etwa Mobiltelefone, noch kompakter zu fertigen, müssen die dafür verwendeten Bauteile kleiner und kleiner werden. Neben der Möglichkeit, Bauteile im Mikrometerbereich herstellen zu können, erlauben Methoden der Rasterelektronenmikroskopie und des fokussierten Ionenstrahls, Strukturen innerhalb dieser Größenordnung sichtbar zu machen und gezielt auf ihre mechanischen Eigenschaften zu prüfen. Das Versagen kleiner Strukturen erfolgt wie bei makroskopischen Strukturen typischerweise über Risse. Die Beschreibung dieser Risse und deren Ausbreitung umfassen das Forschungsgebiet der Bruchmechanik. Hierzu werden makroskopische Proben mittels genormter Versuche charakterisiert und über linear-elastische oder elastisch-plastische bruchmechanische Konzepte geprüft. Jedoch können bei immer kleiner werdenden Proben, wenn die Einflusszone vor der Rissspitze die Probendicke überschreitet, die klassischen bruchmechanischen Konzepte nicht mehr angewendet werden. Daher muss hierbei auf komplexere Methoden zur Auswertung des Risswachstums und Bruchverhaltens zurückgegriffen werden. In diesem Projekt soll die Probengröße auf der mikro- und mesoskopischen Ebene variiert und mittels in situ Versuchen im Rasterelektronenmikroskop getestet werden. Dabei werden sowohl unter quasi statischer Last als auch im Bereich der Kurzzeitermüdung Untersuchungen durchgeführt. Mittels zyklischer Belastung werden natürliche Anrisse in die Proben eingebracht, welche als reale Anrisse für die nachfolgenden Untersuchungen dienen. Während dieser Versuche wird die Einflusszone vor der Rissspitze charakterisiert und Bilder zur weiteren Auswertung mittels digitaler Bildkorrelation aufgenommen. Neben der Einschränkung der Probengröße wird die Einflusszone vor der Rissspitze mittels eines angepassten Schichtsystems modifiziert. Durch die Interaktion der Einflusszone mit Inhomogenitäten in der Probe kann der Einfluss der Änderung des elastischen Moduls oder der Mikrostruktur untersucht werden. Die Schichtstruktur soll aus Nickel und Kupfer mittels gepulster elektrochemischer Beschichtung hergestellt werden. Dieses Verfahren erlaubt durch Parametervariation eine gezielte Einstellung der Mikrostruktur und der Dicke der jeweiligen Schicht. Die Korngröße des abgeschiedenen Nickels wird über die Parameter der Stromdichte und der Pulsfunktion eingestellt. Der Einfluss der unterschiedlichen elastischen Moduli von Nickel und Kupfer soll in den Nickel-Kupfer-Nickel und Kupfer-Nickel-Kupfer-Schichtsystemen untersucht werden. Diese einzigartige Untersuchung der mikrostrukturellen und mechanischen Faktoren auf die Einflusszone vor der Rissspitze soll es ermöglichen, das Risswachstum auf mikromechanischer Ebene besser zu verstehen. In weiterer Folge können diese Erkenntnisse dazu genutzt werden, um ein geschichtetes Materialsystem mit optimiertem Risswiderstand zu generieren.