Nanoindentation an Zwischenschichten dünner Folien

Mechanische Eigenschaften mikrometerdünner Metallschichten in mehrlagigen Folien zu messen – ohne Beeinflussung durch umliegende Schichten – ist eine große Herausforderung. Dazu werden eine hochsensible Nanoindentations-Technologie und eine präzise Positionierung des Indentors benötigt.

Die Bestimmung der Härte und der elastischen Eigenschaften von Zwischenschichten in Multiplex-Foliensystemen birgt hohe Anforderungen. Die normale Messung von oben würde gemischte Parameter des Schichtstapels ergeben, nicht die einer einzelnen Schicht. Dazu ist die Messung jeder einzelnen Schicht im Querschnitt der Probe notwendig. Bei geringen Schichtdicken sind präzise kontrollierbare Messabläufe und die Verwendung extrem kleiner Eindrücke entscheidend.

Die im Mikro- und Nanometerbereich arbeitende Nanoindentation ermöglicht die Messung der Härte und des Elastizitätsmoduls sogar von solch dünnen Zwischenschichten. Zusammen mit einem hochauflösenden Mikroskop und einer sehr präzisen Positioniereinheit ist die Nanoindentation bestens geeignet für die Messung mikrometerkleiner Strukturen.

Als Beispiel wurde eine 30 µm dicke metallische Folie zwischen einer polymeren Schicht und einer gummierten Deckschicht analysiert. Um die Nachgiebigkeit der Probe zu minimieren, wurde sie in Epoxid eingegossen und durch Polieren die innere metallische Schicht als Querschliff freigelegt.

Gemessen wurde die Probe mit dem PICODENTOR® HM500, da er sowohl über feinste Kraft- (≤ 100 nN) als auch äußerst präzise Wegauflösung (≤ 0,5 µm) verfügt. Die Schnittkante der metallischen Schicht wurde unter dem integrierten Mikroskop (mit bis zu 1000-facher Vergrößerung) identifiziert und eine Serie von Eindrücken gemacht – genau in der Mitte der 30 µm dünnen Schicht. Die Werte für Eindring-Härte (HIT), Vickers-Härte (HV) und elastisches Eindringmodul (EIT) der metallischen Schicht wurden aufgezeichnet. Die Martens-Härte (HM) wurde ebenfalls gemessen und als Funktion der Eindringtiefe ausgegeben.

Abb. 1: Querschliff der Schicht mit den mittig liegenden Eindrücken

Abb. 2: Die Grafik zeigt die reproduzierbaren Be- und Entlastungskurven des Kraft-Weg-Diagrammes der einzelnen Eindrücke aus Abb. 1.

Metallische Schicht

HM

N/mm²

EIT/(1-vs²)

GPa

HIT

N/mm²

HV

X

4734,2

151,8

6961,9

657,8

s

223,9

8,8

263,6

24,9

V

4,7%

5,8%

6,0%

6,0%

Tab. 1: Mittelwert X, Standardabweichung s und Variationskoeffizient V der mechanischen Eigenschaften ermittelt an den Eindrücken aus Abb. 1

Mit seinem ultra-feinfühligen Messkopf, hochauflösenden Mikroskop und dem präzisen Positioniertisch ist der PICODENTOR® HM500 prädestiniert, Härte und elastische Eigenschaften von mikrometerdünnen Strukturen zu bestimmen, wie z. B. von Folien im Querschliff. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Ihren Fischer-Ansprechpartner.

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