Schmid, Christoph (2021)
Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation kohlenstoffbasierter Hartstoffschichten.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017521
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Basierend auf Untersuchungen zur systematischen Entwicklung amorpher Kohlenstoffschichten für die Blechmassivumformung mittels Methoden der statistischen Versuchsplanung erfolgte in dieser Arbeit eine differenzierte und eingehende Analyse der Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation zwischen ausgewählten Parametern des Beschichtungsprozesses und wesentlichen Eigenschaften von a-C:H:W-Schichten. Hierbei stand die detaillierte Betrachtung der Zusammenhänge zwischen Beschichtungsprozess, Schichtstruktur und resultierenden Eigenschaften im Vordergrund: so wurden die Schichtvarianten hinsichtlich ihres strukturellen Aufbaus, ihrer mechanischen Eigenschaften, Eigenspannungen und Bruchzähigkeit auf mikroskopischer Ebene analysiert. Neben etablierten Charakterisierungsmethoden wurden hierzu vor allem nicht standardisierte, moderne Methoden für die Eigenschaftsbestimmung dünner Schichten eingesetzt. Diese wurden an Referenzschichten adaptiert, ihre Anwendbarkeit überprüft und bei Bedarf weiterentwickelt. Die betrachteten Methoden dienen zur direkten Korrelation der mechanischen Eigenschaften mit der chemischen Zusammensetzung von mehrlagigen Schichtsystemen, zur Bestimmung des Eigenspannungszustands dünner amorpher Schichten sowie zur Analyse des Bruchverhaltens. Genutzt wurden die Charakterisierungsmethoden anschließend zur differenzierten Analyse der Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation zwischen ausgewählten Prozessparametern und wesentlichen Eigenschaften von a-C:H:W-Schichten. Zur gezielten Darstellung der Schichtvarianten wurden die Prozessparameter Biasspannung und Ethinfluss während des reaktiven Magnetronsputterprozesses anhand eines zuvor abgeleiteten Regressionsmodells variiert. Die Parameterkombinationen der betrachteten Schichtvarianten wurden derart gewählt, dass sich je zwei Schichten mit einer Härte von 10 GPa sowie 16 GPa ergaben, wobei der Anstieg der Härte über eine Variation der Biasspannung oder des Ethninflusses realisiert wurde. Im Gegensatz zu den meist qualitativen, makroskopischen Charakterisierungsmethoden im industriellen Umfeld wurden die unterschiedlichen Schichteigenschaften im Rahmen dieser Arbeit quantitativ auf mikroskopischer Größenskala bestimmt. Neben der Erweiterung des Kenntnisstands bezüglich der Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation amorpher Kohlenstoffschichten, dienen die Ergebnisse der Arbeit als Orientierung, inwieweit sich wesentliche Schichteigenschaften unabhängig voneinander einstellen lassen, welche Prozessführung und Abscheideparameter gewählt werden müssen, um ein gewünschtes Eigenschaftsprofil der Schichtsysteme zu erzielen, und leisten somit einen Beitrag in Richtung „maßgeschneiderte Beschichtungen“.

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