Genau hingeschaut
Hochgenaue Sensoren und Positioniersysteme ermöglichen bei der Nanoindentierung eine Werkstoffprüfung im Subnanometerbereich.
Eine wichtige Rolle im weiten Feld der Werkstoffprüfung spielt heute die so genannte Nanoindentierung. Sie ist von der klassischen Härteprüfung abgeleitet, findet aber in viel kleinerem Maßstab statt. Mit ihr lassen sich z. B. die Härte von dünnen Schichten bestimmen oder Materialeigenschaften untersuchen wie Elastizität, Steifigkeit, plastischer Verformbarkeit oder Bruchfestigkeit bei kleinen Objekten und Mikrosystemen etwa in der Biotechnologie. Dazu wird eine Testspitze mit einer geringen Kraft auf eine Probe aufgebracht und der Eindringweg der Spitze gemessen. Aus diesen Messwerten lässt sich dann die Kontaktfläche errechnen und daraus wiederum die Materialeigenschaft ermitteln. Wie fast überall, wo höchste Präzision bei Wegmessung und Positionierung gefordert ist, spielen auch bei der Nanoindentierung hochauflösende kapazitive Sensoren und piezobasierte Nanopositioniersysteme eine zentrale Rolle.
Ein besonders flexibles System zur Nanoindentierung stammt von der Firma Micro Materials Ltd. mit Stammsitz im englischen Wrexham. Der NanoTest (Abb. 1) wird weltweit in unterschiedlichen Bereichen genutzt, nicht nur in Forschung und Entwicklung, sondern auch in der Produktion und beim Test von Fertigprodukten. Je nach Anwendung lassen sich die Methode der Krafterzeugung und die Geometrie der Testspitze, der so genannten Indentation-Tip, variieren.
NanoTest ist ein besonders flexibles und leistungsfähiges System, um die Härte dünner Schichten oder anderer Materialeigenschaften zu untersuchen.
Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit Eine langsame Krafterhöhung in einem bestimmten Zeitfenster, die quasistatische Indentierung, ist ebenso realisierbar wie ein „Nano Impact“ genannter dynamischer Test, bei dem die Spitze beschleunigt auf die Oberfläche aufschlägt und dort eine große Menge an Energie freisetzt. Die Beanspruchbarkeit von Materialien lässt sich ermitteln, indem die Oberfläche langsam an der Spitze entlang bewegt wird und mit konstanter oder zunehmender Andruckkraft einen Kratzer erzeugt. Gleichzeitig ist es möglich, auch Reibeigenschaften der Oberfläche zu bestimmen. Für die Krafterzeugung dient dabei ein elektromagnetischer Aktor.
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Steffen Arnold und Ellen-Christine Reiff
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