Nanoindentation

Was ist Nanoindentation?

Die Nanoindentation ist ein Verfahren, mit dem mechanische Eigenschaften wie Elastizitätsmodul und Härte gemessen werden. Sie liefert auch Informationen über die Steifigkeit, Bruchzähigkeit, Delaminierung, Zugfestigkeit und Spannungsrelaxation eines Materials. Mithilfe der Nanoindentation können diese Eigenschaften an einer Vielzahl von Probengrößen untersucht werden, darunter auch sehr kleine Komponenten und bestimmte Bereiche größerer Proben. Das Verfahren findet breite Anwendung im Maschinenbau und in der Produktentwicklung.

Die Nanoindentation umfasst verschiedene Methoden: quasistatische, dynamische und kontinuierliche Steifigkeitsmessungen. Die traditionelle Testmethode besteht aus einer einfachen quasistatischen Belastungsindentation. Die Belastung und die Eindringtiefe werden gemessen und die mechanischen Eigenschaften des Probenmaterials berechnet. Bei der dynamischen Nanoindentation werden oszillierende Belastungsschwankungen verwendet, um die Eigenschaften des getesteten Materials zu ermitteln. Die kontinuierliche Steifigkeitsmessung (CSM) ist eine Kombination aus statischer und dynamischer Belastung während der Indentation. Dadurch lassen sich tiefenabhängige Eigenschaften schnell und effizient messen.

Wie funktioniert Nanoindentation?

Bei der Nanoindentation wird eine sehr kleine Sondenspitze aus einem harten Material, üblicherweise Diamant, verwendet, um die Oberfläche einer Probe einzudrücken. Das System misst die auf die Spitze aufgebrachte Last sowie die Eindringtiefe während des Prozesses. Im Verlauf werden die auf die Sonde aufgebrachte Kraft und die Strecke, die sie zur Oberfläche zurücklegt, gemessen.

Nanoindentation und Rasterkraftmikroskopie

Rasterkraftmikroskope können ähnliche Analysen wie Nanoindentationsmessungen durchführen, sofern das Probenmaterial weicher ist als die AFM-Spitze. Die Sonde wird über die Oberfläche geführt und ihre Positionsdaten werden zusammen mit den topografischen Messungen der Probenoberfläche aufgezeichnet. Dies kann dann verwendet werden, um ein Bild der Oberfläche in winzigem Maßstab zu erzeugen, wodurch sie weiter analysiert werden kann. Die meisten modernen Nanoindentationsinstrumente können direkt mit AFM-Analysen kombiniert werden, um die effizientesten und präzisesten Messungen zu erreichen.

Anwendungen

Nanoindentation wird in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik zur Charakterisierung von Materialien eingesetzt, darunter Elektronik, Verpackungsmaterialien, biologische Proben, Baumaterialien und Polymere. Genauer gesagt wird Nanoindentation typischerweise für dünne Schichten, Legierungen, Weichgewebe, Beschichtungen und Verbundwerkstoffe verwendet. Die Methode findet insbesondere in der modernen Technologie Anwendung, wo Bauteile zunehmend kleiner werden. Nanoindentation ist eine hervorragende Methode zur Analyse dieser Strukturen und liefert wertvolle Informationen über deren physikalische Eigenschaften.

Probenanforderungen und -vorbereitung

Grundsätzlich erfordert die Nanoindentation keine Probenvorbereitung. Lose Proben und Objekte können jedoch im Allgemeinen nicht in den Nanoindenter eingebracht werden. Wenn die Probe lose ist, kann sie mit Sekundenkleber auf eine AFM-Probenscheibe, einen Objektträger oder einen Wafer geklebt werden. Die Rauheit der Probenoberfläche beeinflusst die gemessenen mechanischen Eigenschaften. Aus diesem Grund sollte die Rauheit der Probenoberfläche im Vergleich zur Fläche der Spitze ausreichend gering sein.

Einschränkungen der Nanoindentation

Je nach Materialeigenschaften kann das „Aufschichten“ oder „Einsinken“ des Probenmaterials zu Problemen bei der Berechnung der Eindringtiefe führen. Aus diesem Grund können Messungen auf sehr weichen oder sehr rauen Oberflächen schwierig oder sogar unmöglich sein.

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