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Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Bioinspirierte Diamant/Metall-Laminate

Mittwoch (18.09.2019)
15:00 - 15:30 Uhr Florenz
Bestandteil von:


Aufgrund des im Allgemeinen inversen Verhältnisses von Festigkeit und Zähigkeit, zeigen hochfeste Werkstoffe typischerweise sprödes Versagen. Freistehende Diamantfolien bilden hierbei keine Ausnahme. Mit einer Biegefestigkeit von bis zu 8 GPa stellen Diamantfolien das stärkste bekannte Folienmaterial dar. Sie können mittels Kleben oder Löten auf jede Art von Material appliziert werden und einen hervorragenden Verschleißschutz für hochbeanspruchte Bauteile bieten. Die inhärente Sprödigkeit von monolithischen Diamantfolien verhindert jedoch eine großtechnische Anwendung.

Um neue Anwendungsgebiete für Diamantfolien zu erschließen, ist es entscheidend das Material zäher zu machen und die Festigkeitsschwankungen bei gleichzeitig hohen Festigkeitswerten zu reduzieren. Ein vielversprechender Weg dies zu erreichen, ist die Nachahmung der Struktur von natürlich vorkommenden Verbundwerkstoffen wie z.B. Perlmutt. Dieses Material zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Kombination von Zähigkeit und Festigkeit aus. Die Verwendung einer kleinskaligen, lamellaren Struktur ist der Schlüssel, um aus den weitgehend spröden Bestandteilen Aragonit (ca. 95 Vol%) und proteinhaltiger Binderphase Zähigkeit zu erzeugen.

Ein perlmuttähnlicher Mehrlagenaufbau soll auf freistehende Diamantfolien übertragen werden. Dazu werden Lagen aus hartem CVD-Diamant mit weichen metallischen Binderphasen kombiniert. Die Herstellung derartiger Diamantlaminate wird durch aufeinanderfolgende CVD- und PVD-Prozesse realisiert. Durch Variation der Abscheidezeiten ist es möglich die Lagendicken gezielt einzustellen. Bisher konnten Laminate von bis zu acht Lagen mit minimalen Lagendicken zwischen ca. 1,5 µm (Binderphase) und ca. 15 µm (Diamantlagendicke) hergestellt werden. Aktuell wird die Realisierung bis zu 50-lagiger Laminate mit Lagendicken unter 5 µm erprobt. Ebenfalls wird das Einbringen der Binderphase nach Vorbild der Ziegelstruktur versucht. Dazu erfolgt nach den Diamantabscheidungsschritten eine Segmentierung der Diamantlagen mittels Laserschneiden.

Messungen der Biegefestigkeiten im Vierkugelversuch von monolithischen Diamantfolien und zwei- bzw. vierlagigen Diamantlaminaten zeigten, dass die Festigkeitsschwankungen mit zunehmenden Lagenzahlen reduziert werden können. Durch Dreipunktbiegeversuche konnte Rissablenkung innerhalb der Verbunde und stufenweises Versagen nachgewiesen werden. Die Laminatstruktur führt also zu einer Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber Rissausbreitung.

Sprecher/Referent:
Timo Fromm
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Weitere Autoren/Referenten:
  • Yang Xuan
    Technische Universität Darmstadt
  • Rudolf Borchardt
    Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
  • Prof. Dr. Karsten Durst
    Technische Universität Darmstadt
  • Dr. Stefan M. Rosiwal
    Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

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