DFG-Forschergruppe 524

Teilprojekt 4

Eigenschaftsanalyse von geschweißten Metall/Faserkunststoffverbunden mit Verfahren der Oberflächen- und Schichtanalytik

 

Prof. Dr. rer. nat. Michael Kopnarski

Bearbeitung: Dr.-Ing. Stefan Emrich

Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik (IFOS) GmbH

 

Zusammenfassung
Von entscheidender Bedeutung für die Eigenschaften von Schweißverbindungen sind die Grenz­flächen zwischen den unterschiedlichen Materialien. Mikroskopisch kann die Haftung bzw. Ad­häsion durch intermolekulare Wechselwirkungskräfte vermittelt werden. Neben der Adhäsion spielen beispielsweise auch die Interdiffusion der Materialien an der Grenzfläche, mögliche Grenzflächenreaktionen und andere Mechanismen eine wichtige Rolle. Um zu einem genaueren Verständnis der im Einzelfall vorliegenden Haftungsmechanismen vordringen zu können, ist neben einer Charakterisierung der Hafteigenschaften insbesondere die chemische und strukturelle Analyse des Grenzflächenbereiches unverzichtbar. Heute stehen zusätzlich zu den bereits seit langem etablierten klassischen Verfahren der Materialanalyse, wie z. B. der Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie eine Reihe von Methoden zur Verfügung, mit denen die chemische und strukturelle Charakterisierung von Grenzbereichen mit hoher Nachweisstärke und Ortsauflösung möglich wird. Mit dem beantragten Teilprojekt sollen zum Einen die im IFOS vorhandenen mikro- und nano-analytischen Methoden als Werkzeuge für die Weiterentwicklung und Optimierung der Fügetechniken in den verschiedenen Teilprojekten genutzt werden. Zum Anderen sollen die Haftungsmechanismen zwischen artfremden Werkstoffen wie Kohlenstoff- bzw. Glasfaser und metallischen Fügekomponenten, zunächst am Beispiel des Metall- Ultraschallschweißens, untersucht werden.

 

Stand der Forschung
Aus der modernen Oberflächenanalytik heraus sind in den vergangenen Jahrzehnten eine Reihe von Analysemethoden entstanden, mit denen die Zusammensetzung der obersten Atomlagen von Festkörpern und die dort vorliegenden chemischen Bindungsverhältnisse mit hoher Nachweisempfindlichkeit bestimmt werden können [1-4]. Verknüpft man Oberflächenanalyseverfahren mit geeigneten Schrägschnitttechniken oder dem kontrollierten Abtrag der Untersuchungsoberfläche durch Ionenbeschuss (Festkörperzerstäubung oder "Sputtering"), so lassen sich Konzentrationsverläufe und Bindungsverhältnisse auch als Funktion der Tiefe unter der Oberfläche ermitteln [5,6]. Zur Bestimmung der kristallinen Struktur von Oberflächen und Dünnen Schichten können die Röntgendiffraktometrie sowie die Raster-Elektronenmikroskopie als klassische Verfahren eingesetzt werden. Bei der Röntgenanalyse können durch verbesserte Kollimation des Primärstrahls und dem damit möglichen Übergang zu flachen Einfallswinkeln sowie durch die Steigerung der Winkelauflösung beim Nachweis der gestreuten Röntgenquanten Strukturanalysen sehr oberflächensensitiv durchgeführt werden [7]. Damit wird auch die Bestimmung innerer Spannungen und die Texturanalyse in Dünnen Schichten möglich. Eine geradezu stürmische Entwicklung ist im vergangenen Jahrzehnt auch im Bereich der Rastersondentechniken zu verzeichnen. Mit der Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie wird die strukturelle Charakterisierung von Oberflächen und Dünnen Schichten auf einer atomareren Skala möglich [8].

 

Eigene Vorarbeiten und Ziele
Das IFOS verfügt über umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet der modernen Oberflächen- und Schichtanalytik. Exemplarisch seien nur zwei Schwerpunkte der Arbeiten im IFOS genannt: Im Rahmen von F&E- Projekten, aber auch in Form von Serviceanalysen für die Industrie beschäftigt sich das IFOS bereits seit einer Reihe von Jahren mit der chemischen, strukturellen und topographischen Mikrocharakterisierung tribologisch beanspruchter Oberflächen [3, 9]. Die Charakterisierung der durch Reibung induzierten Grenzflächenreaktionen und ihr Einfluss auf den Verschleiß war dabei ein besonders wichtiger Aspekt, der auch mit Blick auf die Vorgänge bei Pressschweißverfahren wie dem Ultraschallweißen von Bedeutung ist. Mittels der Untersuchungen, die im IFOS zu den Grundlagen der Wirkungsweise mechanischer Ober-flächenvorbehandlungsverfahren auf Haftfestigkeit und Versagensmechanismen adhäsiver Verbindungen durchgeführt wurden, hat ein DFG-Projekt der Arbeitsgruppen Strukturforschung, Polymere, Grenzflächen (Univ. Saarbrücken) und Werkstoff- und Oberflächentechnik (Univ. Kaiserslautern) gezeigt, "dass die Anwendung oberflächenanalytischer Techniken (insbesondere XPS und AES) für die Charakterisierung technischer Oberflächen nicht nur sinnvoll, sondern sogar unverzichtbar ist" [10]. Im Bereich des Ultraschallschweißens wurden in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Werkstoffkunde bereits erste Analysen, u. a. mit der Transmissionselektronenmikroskopie, durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Bindung in dem exemplarisch untersuchten Metall/Keramik-Verbund durch eine stabile Verbindung Zr-O-Al in der Grenzfläche bewirkt wird [11].

 

Literatur

[1] Briggs D., Seah M. P. (ed.) Practical Surface Analysis Vol. 1: Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy, 2nd ed. Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore: Wiley; Aarau, Frankfurt/M, Salzburg: Salle&Sauerländer (1990).

[2] Briggs D., Seah M. P. (ed.) Practical Surface Analysis Vol. 2: Ion and Neutral Spectroscopy Spectroscopy, Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore: Wiley; Aarau, Frankfurt/M, Salzburg: Salle&Sauerländer (1992).

[3] Kopnarski M.: Application of Microbeam Techniques to Materials Problems in a Service. Laboratory, Mikrochim. Acta 132 (2000), S. 401 - 410.

[4] Oechsner H.: Scanning work function microscopy, Fresenius J Anal Chem (1996) 355, S. 419-424

[5] Oechsner H.: Chemical surface and thin film analysis in glass coating, Glastech. Ber. Glass Sci Technol. 70 (1997) 11, S. 340-353.

[6] Dreer S., Wilharitz P., Piplits K., Hutter H., Kopnarski M., Friedbacher G.: Quantitative Sputter Depth Profiling of Silicon- and Aluminium Oxynitride Films, Mikrochim. Acta 133, (2000), S. 75-87.

[7] Schwarzer R.A.: Crystallography and microstructure of thin films studied by x-ray and electron diffraction, Materials Science Forum (1998) 287-288, S. 23-60.

[8] Müller M., Oechsner H.: In situ STM and AES studies on the oxidation of Cr (110), Surface Science 387 (1997), S. 269-278.

[9] Kehrwald B., Kopnarski M.: Untersuchung der Vorgänge in tribologischen Systemen während des Einlaufs, Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V : , Frankfurt am Main, Heft 677 (1999).

[10] Brockmann W., Possart W.: Grundlagen zum Verständnis der Wirkungsweise mechanischer Oberflächenbehandlungsverfahren auf Haftfestigkeit und Versagensmechanismen adhäsiver Verbindungen, Abschlußbericht zum DFG- Vorhaben Br 435/17-1/17-2 ; Po 577/1-1/1-2

[11] Wagner J., Schlicker U., Eifler D.: Bond formation during the ultrasonic welding of ceramic with metal, Welding & Cutting 50, No. 10 (1998), E 199/202.

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