Härtebestimmung komplexer Beschichtungen optischer Komponenten

Die Anforderungen an die Oberflächeneigenschaften optischer Komponenten sind erheblich gestiegen. Hochkomplexe Schichtsysteme wurden entwickelt, um kratzfeste, schmutzabweisende, antistatische oder reflektierende Oberflächen zu realisieren. Eine wichtige Rolle bei der Herstellung optischer Beschichtungen spielen dabei verschiedene Härtungsprozesse. Entscheidend ist hier, eine gute Balance zu finden zwischen der Härte und den elastischen Eigenschaften einer Schicht. 

Die Qualitätskontrolle dieser Beschichtungen erfordert entsprechend leistungsfähige Messverfahren und -systeme. Für die normgerechte Bestimmung von Werkstoffparametern wie Härte und Elastizität kann die instrumentierte Eindringprüfung genutzt werden. Selbst dünne Beschichtungen unter 100 nm können präzise gemessen werden.

Bei dem Kraft-Eindringtiefen-Verfahren gemäß DIN EN ISO 14577 und ASTM E 2546 wird der Eindringkörper, eine Vickers- oder Berkovich-Pyramide mit ansteigender Prüfkraft kontinuierlich in das Material eingedrückt. Danach wird in gleicher Weise die Prüfkraft wieder reduziert. Gleichzeitig wird die jeweils aktuelle Eindringtiefe gemessen. Aus dem sich ergebenden Belastungs-Entlastungs-Zyklus kann die Martens-Härte bestimmt werden. Bei der Reduzierung der Prüfkraft lässt sich das elastische Eindringmodul ermitteln.

Abb. 1: Tiefenabhängiges Profil der Martens-Härte (HM) zweier optischer Gläser mit unterschiedlichen Beschichtungen. Der blaue Bereich signalisiert bereits den entstehenden Einfluss vom Grundwerkstoff

Abbildung 1 zeigt die Messung der Martens-Härte und die dazugehörige Standardabweichung an zwei Kunststoffgläsern der Firma Rodenstock GmbH, München. Die Proben wurden unter gleichen Prozessbedingungen hergestellt, sind aber unterschiedlich beschichtet worden. Als Ergebnis zeigt sich eine deutliche Änderung der Martens-Härte.

Ab einer bestimmten Eindringtiefe ist der Einfluss des Grundmaterials zu erkennen. Um die Schicht ohne den Einfluss des Substrates zu messen, darf die Eindringtiefe maximal 1/10 der Schichtdicke betragen (Bückle-Regel). Der bei den Messungen mit dem PICODENTOR HM500 von Fischer ermittelte Variationskoeffizient von 1,73 % beziehungsweise 1,60 % zeigt, mit welcher Genauigkeit gemessen werden kann.

Abb. 2: Das Prinzip der instrumentierten Eindringprüfung; a bezeichnet die Krafterhöhung, b die Kraftreduzierung

Während die Martens-Härte bereits mit dem Standardmessverfahren tiefenabhängig gemessen wird, können mittels einer sogenannten ESP-Messung (Enhanced Stiffness Procedure) weitere mechanische Eigenschaften wie die Vickers-Härte oder das elastische Eindringmodul tiefenabhängig ermittelt werden.

Fazit: Wenn es gilt, die richtige Balance zwischen Härte und Elastizität der Beschichtung optischer Komponenten zu bestimmen, ist der PICODENTOR® HM500 von Fischer das geeignete Instrument, diese Parameter zu ermitteln. Zu weiteren Details steht Ihnen Ihr Fischer-Repräsentant jederzeit zur Verfügung.

 

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