Beschichtungsanalyse
Wir analysieren die Eigenschaften von Beschichtungen in unserem Labor STZ in Karlsruhe.
Analysen
SCHICHTHÄRTE
Die Härte von Beschichtungen und Lacken wird durch die Mikrohärteprüfung bestimmt bzw. bei sehr dünnen Schichten durch die Nanoindentierung. Diese Eindringprüfungen werden mit kleinen Prüfkräften und geringen Eindringtiefen des Prüfkörpers durchgeführt. Die Härte wird im Unterschied zur Makrohärteprüfung aus der aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve berechnet.
SCHICHTDICKE
Die Schichtdicke von Einzelschichten und Mehrschichtsystemen werden abhängig von Schichtart, Schichtdicke und Substrat mit verschiedenen Verfahren durchgeführt. Dabei können Schichtstärken verfahrensabhängig vom Nanometer- bis zum Mikrometerbereich bestimmt werden.
Die Schichtstärken von lichtdurchlässigen Beschichtungen und die Dicken transparenten Folien werden durch optische Schichtdickenmessungen bestimmt. Diese beruht darauf, dass beim Auftreffen von Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex ein Teil der Strahlung reflektiert und ein anderer transmittiert wird.
SCHICHTHAFTFESTIGKEIT
Wir bestimmen die Haftfestigkeit von Beschichtung mit dem jeweils passenden Verfahren für die jeweilige Beschichtung.
OBERFLÄCHENTOPOGRAPHIE
Mit der optischen Oberflächenmessung wird die Oberfläche flächenhaft mit einem feinen Lichtstrahl berührungslos abgetastet und so die Strukturen dreidimensional erfasst. Dazu werden Konfokalmikroskope mit verschiedenen Lichtquellen (LED, Laser) eingesetzt und Weißlichtinterferometer. Durch die Rasterkraftmikroskopie (AFM) wird die Topographie einer Bauteiloberfläche mit der höchsten Auflösung aller mikroskopischen Techniken vermessen. Hierzu tastet eine an einer Blattfeder (Cantilever) befindliche Messnadel die Oberfläche Zeile für Zeile ab.
Mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) werden hochauflösende Bildaufnahmen der Oberflächentopographie mit großer Vergrößerung angefertigt. Dabei rastert ein fein gebündelter Elektronenstrahl die Oberfläche präzise Zeile für Zeile ab. Die hierbei stattfindende Wechselwirkung mit dem Objekt wird zur Erzeugung von Aufnahmen der Oberflächentopographie (SE) sowie für Materialkontrastbilder (BSE) genutzt.
OBERFLÄCHENADHÄSION
Die ortsaufgelöste Messung der lokalen Oberflächenadhäsion wird mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) durchgeführt indem sogenannte Kraft-Abstandskurven (Force-Distance-Curve) aufgenommen werden (Kraftspektroskopie). Damit können durch die sehr hohe Ortsauflösung lokale Unterschiede bestimmt werden. Durch die Kraftspektroskopie lässt sich gleichzeitig der lokale Elastizitätsmodul eines Materials sehr präzise bestimmen.
OBERFLÄCHENLEITFÄHIGKEIT
Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) können geringste lokale Unterschiede bzgl. der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes eines Materials an der Oberfläche bestimmt werden. Mit der leitfähigen Rasterkraftmikroskopie (C-AFM: Conductive AFM) wird die Topographie eines Materials und der elektrische Stromfluss am Kontaktpunkt der Spitze (Cantilever) gemessen.
REIBUNGSKOEFFIZIENT
Der Reibungskoeffizient bzw. Reibwert wird mit einem Tribometer bestimmt. Hierbei wird ein Prüfkörper geeigneter Geometrie mit einer definierten Normalkraft über einen Grundkörper bewegt und dabei die Reibkraft gemessen. Aus dem Verhältnis der Reibkraft zur Normalkraft wird der Reibungskoeffizient bzw. der Reibwert berechnet.
VERSCHLEISSFESTIGKEIT
Die Verschleißfestigkeit von Beschichtungen wird mit einem Tribometer ermittelt. Dabei handelt es sich um eine Modellprüfeinrichtung zur Untersuchung von Reibung und Verschleiß. Dazu wird ein Prüfkörper mit einer definierten Normalkraft translatorisch oder rotatorisch über einen Grundkörper bewegt. Nach dem Verschleißtest wird der Verschleiß von Prüfkörper und Grundkörper gravimetrisch oder durch optische 3D-Messungen bestimmt.
MATERIALANALYSE (EDX)
Materialanalysen zur Bestimmung der chemischen Elementzusammensetzung werden mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM durchgeführt. Diese Methode beruht darauf, dass jedes chemische Element eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendet, wenn es durch den Elektronenstrahl des REMs angeregt wird.
STRECKGRENZE
Die Bestimmung der Streckgrenze von Beschichtungen kann durch eine Eindringprüfung in Form der Nanoindentierung quasi zerstörungsfrei am Originalbauteil erfolgen. Bei diesem Verfahren dringt ein Prüfkörper mit sehr kleinen Kräften in die Beschichtung ein, wobei die Kraft ansteigend mit einem überlagerten Sinus erhöht wird. Dadurch wird der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Beschichtung bestimmt und aus diesem die Streckgrenze berechnet.
Die Schichthärte wird als Eindringwiderstand gegen einen Prüfkörper zu bestimmen. Dies erfolgt mit sehr kleinen Prüfkräften und geringen Eindringtiefen des Prüfkörpers, damit dieser nicht zu weit in die Beschichtung eindringt und somit eine Mischhärte bestimmt würde. Die Härteprüfung an Beschichtungen erfolgt entweder von der Oberfläche oder im polierten Querschliff.
Die Schichtdicke wird je nach Art der Beschichtung und Substrat mit unterschiedliche Verfahren ermittelt und so Schichtdicken vom Mikrometer- bis zum Nanometerbereich bestimmt.
Die Schichthaftfestigkeit bestimmt die Verbindungsfestigkeit zwischen Beschichtung und Substrat (adhäsive Schichthaftung) sowie des inneren Zusammenhaltes der Schicht (kohäsive Schichthaftung).
Die Oberflächentopographie wird durch optische Messverfahren, durch Rasterkraftmikroskopie oder durch die Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Mit den optischen Verfahren wird die Oberflächen flächenhaft dreidimensional berührungslos vermessen und daraus die Kennwerte für Rauheit, Welligkeit, Ebenheit und Parallelität gemäß den Normen bestimmt.
Durch durch die Rasterkraftmikroskopie (AFM) können geringste Unterschiede der Oberflächeneigenschaften bzgl. der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit und der Oberflächenadhäsion mit hoher Ortsauflösung bestimmt werden. Dadurch lassen sich beispielsweise die Auswirkungen von Oxidschichten auf der Oberfläche bestimmen.
Der Reibungskoeffizient und die Verschleißfestigkeit einer Beschichtung werden mit einem Tribometer bestimmt. Da diese keine reinen Werkstoffeigenschaften sind und von vielen Einflussfaktoren abhängen, können diese auch nur durch Messungen ermittelt werden.
Mit dem am Rasterelektronenmikroskop (REM) verbauten Röntgenstrahldetektor können Materialanalysen von der Beschichtung durch die energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) durchgeführt werden.
Die Streckgrenze kann direkt an der Beschichtung durch eine Eindringprüfung (Nanoindentierung) quasi zerstörungsfrei bestimmt werden, ohne dass dafür gesonderte Proben angefertigt werden müssen.