6.7 Materialsynthese und Design
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In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Mit der Zentrifugentechnologie ist seit einigen Jahren ein neuartiges Mehr-Proben-Prüf-verfahren auf dem Markt etabliert, welches die klassische Zugprüfung in den Trommelrotor einer Tischzentrifuge überträgt. In der Beanspruchung auf Zug ist die Prüfung der Verbundfestigkeit mittels CAT-Technologie (centrifugal adhesion testing) an der BAM seit 2017 nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert, wobei die Verbundfestigkeit von Klebungen direkt bestimmt wird und in Abhängigkeit von den Versagensformen Rückschlüsse auf die Klebfestigkeit von Klebstoffen/Klebebändern oder die Haftfestigkeit von Beschichtungen gezogen werden können.
Imaging of surfaces regarding topographical, morphological, micro-structural, and chemical features is a key requirement for quality control for the identification of contaminated, degraded, damaged or deliberately modified surface areas vs. clean, virgin, undamaged or unmodified regions. As optical functions may represent any of these changes on the micro- and nano-scale, imaging ellipsometry (IE) is the technique of choice using either intensity, phase, or/and amplitude contrast for visualization of low-contrast surface modifications [1, 2]. Defects or surface and film features whether native or artificial, intended or unintended, avoidable or unavoidable as well as surface pattern are of interest for quality control. In contrast to microscopic techniques operated at normal incidence, ellipsometry as oblique-incidence technique provides improved contrast for vertically nano-scaled add-on or sub-off features such as ultra-thin transparent films, metallic island films, carbon-based thin films, laser modification or laser induced damage, dried stain, cleaning agent or polymeric residue. Two-sample reference techniques, i.e. referenced spectroscopic ellipsometry (RSE) may further increase sensitivity and decrease measurement time. In case of particulate accumulations depolarization contrast imaging (DCI) may improve the lateral resolution beyond the Abbe limit. This has been proven for silica spheres as reference in terms of single particles, particulate accumulations or particulate monolayers and layer stacks. Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) were used for reference measurements of particle diameter, particle height, or particulate layer/accumulation thickness. It has been shown that single silica particles of 250 nm in diameter, i.e. at least a factor of 4 better than the lateral resolution limit as of now, can be visualized on even substrates. However, the ellipsometric measurement of particle diameters of this size needs further efforts interpretation.
The application of PVD-coatings ranges from mechanical engineering, i.e. thicker tribological coatings, to precision optics, i.e. thinner optical coatings. For physical vapor deposition (PVD) technologies such as evaporation, sputtering, ion beam assisted/driven deposition, vacuum is a prerequisite for two reasons: at first process-related ones (evaporation source, plasma discharge, and mean free path) and at second coating-related ones (pure, perfect, and dense films). Usually, the goal is a homogenous coating of defined stoichiometry and micro-structure without any imperfection.
However, the implementation of micro- or nano-particles may occur accidentally or delibe-rately. Independent of the particle origin, there are two fundamental rules regarding coating functionality: at first, the larger the particle diameter to coating thickness ratio the more affected the functionality of the coating, and at second, the larger the material contrast in terms of the functional feature of interest the more affected the coating performance. Hence, embedded particles have to be avoided for the majority of thin films by all means. The unintended implementation of particles usually results in a malfunction of the coating from the beginning or is at least considered as a weak point of the coating creating a time-dependent defect under service conditions. The intended implementation of particles on surfaces and in coatings may create add-on features, topographic ones and functional ones, however, the facts mentioned hold true.
Examples of particle-initiated coating defects are demonstrated in dependence on the origin and the field of application. Strategies for deliberate attachment/embedding of particles on surfaces/in coatings are discussed regarding process compatibility and coating integrity. For industrial applications, both the validation of process compatibility of particle injection and the plasma resistance of particles under vacuum and plasma conditions have to be confirmed. Further points of interest are the homogeneity of particle distribution and the avoidance of particle agglomeration which is still a crucial point for dry dispersed particles. So far, technical applications are limited to PVD hybrid coatings, plasma dispersion coatings are still a challenge except for applications where homogeneity is not required as in case of product authentication.
Multi-functional coatings are a key requirement for surface engineering. General demands are adhesion and long-term stability under service conditions. The modification of surfaces by means of PVD-, ECD- or hybrid processes allows an add-on functionalization of surfaces by a huge diversity of materials with both lateral and vertical micro-/nano-designs. This fact is a prerequisite for micro- and sensor-systems in lab-on-chip and sensor-on-chip technology. Two layer-based sensor principles are presented, i.e. surface plasmon resonance enhanced spectroscopic ellipsometry (SPREE) for detection of hazardous gases and magneto-optical sensors on smart-coated fiber Bragg gratings (FBG) for structural health monitoring (SHM).
The interdependence of substrate features, coating properties, and layer design is discussed firstly for gas sensitivity and selectivity of SPREE-sensors and secondly for sensitivity and selectivity of magneto-strictive coatings to mechanical strain or external magnetic fields resulting in an optical displacement of the Bragg wavelength of FBG-sensors. Moreover, generic features such long-term stability, crucial process-related fabrication conditions, and effects of operational and environmental parameters are discussed with respect to the sensor performance. It has been shown that appropriate layer design and adapted selection of layer materials (SnOx/Au, Fe/Ni:SnOx/Au; Ni/NiFe-Cu-Cr) result in improved sensor parameters and may enable new sensor applications.
The talk addresses the STANDARDIZATION OF ELLIPSOMETRY and the following points are discussed in more detail: historical background of ellipsometry, history of International Conferences on Ellipsometry, Workshops Ellipsometry in Germany and Europe, information on German/European Working Group Ellipsometry, technical/industrial importance of ellipsometry, applications on non-ideal material systems and standardization activities on ellipsometry.
Sufficient adhesion/tensile strength are basic requirements for any coating/composite material. For coatings, adhesive strength in N/mm2 is of Major interest for various applications such as decorative and water-repellent coatings on wood (paints and varnishes), optical coatings on glass and polymers (reflectors and filters), electrical coatings on semiconductors, glass and polymers (conducting and bondable layers), mechanical coatings on metals and polymers (wear-reduction, scratch-resistance) and adhesion-promoting layers. For composite materials, tensile strength in N/mm2 is also a key quantity for carbon fiber reinforced composites (CFC), laminates and adhesive-bonded joints. Centrifugal adhesion testing (CAT) transfers the single-sample tensile test from a tensile or universal testing machine into an analytical centrifuge as multiple-sample test of up to eight test pieces. The one-sided sample support instead of a two-sided sample clamping and the absence of mounting- and testing-correlated shear forces provides fast and reliable results both for adhesive strength and bonding strength by means of bonded test stamps. For bonding strength, the evaluation of failure pattern from microscopic inspection is required in order to determine the failure pattern according to ISO 10365 such as adhesive failure (AF), delamination failure (DF) and cohesive failure (CF). Hence, one test run by CAT-technology provides either statistics or ranking of up to eight samples at once. For adhesive strength of coatings, a variety of examples is discussed such as ALD-Al203 layers as adhesion promoters, evaporated Ag-layers on N-BK7 glass, sputtered Cr- and Al-layers on Borofloat 33 glass, evaporated Au-films on N-BK7 glass and sputtered SiO2 -layers on CR39 Polymer. Provided adhesive or bonding strength are high enough, the substrate or the joining part may also fail.
Der Vortrag widmet sich der „Zentrifugentechnologie zur statistischen Untersuchung von Stumpfklebungen“ und beschreibt drei wesentlich verschiedene Realsysteme (Fügefläche 1/Klebstoff/ Fügefläche 2), um die Statistik ZPM (wiederholte Ein-Proben-Prüfung) vs. CAT (Mehr-Proben-Prüfung) zu vergleichen. Dazu wurden drei unterschiedliche Klebstoff-klassen mit typischen Fügeteilmaterialkombinationen ausgewählt und in einem Vorversuch mit jeweils 3 unterschiedlichen Prüfgeschwindigkeiten sowohl im Weg-geregelten als auch Kraft-geregelten Mode beansprucht. Die Ergebnisse ZPM vs. CAT und Kraft- vs. Weg-Regelung des Vorversuches zeigten keinerlei Unterschiede auf. Im Ergebnis wurde ein Ringversuch im Kraft-geregelten Mode (6xZPM vs. 8xCAT) für ein Referenzsystem durchgeführt, der nachwies, dass die CAT-Technologie statistisch relevante Prüfergebnisse zur Klebfestigkeit bereitstellt. Es zeigte sich, dass für zwei ZPM-Teilnehmer im Vertrauensbereich 99% statistisch signifikant etwas kleinere Werte der Klebfestigkeit bestimmt wurden, was auf geringfügige Abweichungen von der axialen Ausrichtung des eingespannten Prüflings bei der Ein-Proben-ZPM-Zugprüfung zurückgeführt wird.
Mechanische, topometrische und optische Charakterisierung von Schichten mit Stand der Normung
(2019)
Der Vortrag „MECHANISCHE, TOPOMETRISCHE UND OPTISCHE CHARAKTERISIERUNG VON SCHICHTEN MIT STAND DER NORMUNG“ widmet sich unterschiedlichen Beschichtungssystemen und deren mechanischer, topometrischer und optischer Charakterisierung. Über die entsprechenden aktuellen Normen wird informiert. Es betrifft Verfahren wie die Instrumentierte Eindringprüfung (IIT), Centrifugal Adhesion Testing, Weißlichtinterferenzmikroskopie, Tastschnittverfahren und Ellipsometrie (SE).