• Deutsch
  • English

Nanoindenter

Prinzip der Nanoindentation

Abgeleitet von den klassischen Härteprüfverfahren (Vickershärte, Mikrohärte etc.) können mit einem Nanoindenter Härteeindrücke von nur wenigen Nanometern Tiefe durchgeführt werden. Im Gegensatz zu den klassischen Verfahren wird die Härte nicht mehr aus der Größe eines zu vermessenden Eindrucks, sondern durch Auswertung einer beim Eindruck aufgenommenen Kraft-Eindringkurve bestimmt. Basierend auf den Theorien und Modellen von Dörner und Nix [1] bzw. Oliver und Pharr [2], die von Sneddons Kontaktmodell [3] abgeleitet sind, kann aus den Kraft-Eindringkurven die Härte und der E-Modul der Probe ermittelt werden.

Aufbau des TriboIndenters

Am iPAT steht der Nanoindenter der Firma Hysitron, der so genannte TriboIndenter, zur Verfügung. Hauptbestandteil des TriboIndenters ist der auf einem patentierten Drei-Platten-Kondensator-System basierte Transducer. An ihm ist die Indenterspitze aus Diamant angebracht, die in diversen Geometrien (Berkovich, Cube Corner, Flat Punch etc.) erhältlich ist. Der Transducer wird sowohl als Stell- wie auch als Messeinrichtung für Kraft und Weg genutzt.

Messmodi des TriboIndenters

Der TriboIndenter ist ein nanomechanisches Testinstrument, welches die Durchführung zahlreicher mechanischer Charakterisierungstechniken ermöglicht. Neben der beschriebenen Normalkraftbelastung können auch Lateralkraftmessungen (Nanoscratch-Tests) zur Materialcharakterisierung herangezogen werden. Hierbei kann der Benutzer eine aufzubringende Normalkraft zusammen mit einem lateralen Wegmuster definieren. Anhand der aufzubringenden Kraft für die Lateralbewegung der Spitze lassen sich Aussagen bezüglich des Kratzwiderstandes, der Abriebfestigkeit sowie des Reibungskoeffizienten treffen. Zeitabhängige Materialeigenschaften können mit dem dynamischen Messmodus, dem so genannten nanoDMA-Messverfahren, untersucht werden. Bei dieser Testmethode wird die aufgebrachte Last von einer sinusförmigen, kleineren Kraft überlagert. Ein geräteintegrierter Verstärker wird zur Aufnahme der Probenantwort eingesetzt. Hierbei kann es sich um eine durch das Probenmaterial verursachte Änderung der Schwingungsamplitude sowie um eine Phasenverschiebung handeln. Abhängig vom jeweiligen Testmodus ermöglichen dynamische Messungen auf diese Weise die Ermittlung der Materialeigenschaften (Steifigkeit, Verlust- und Speichermodul) als Funktion der Eindringtiefe, der Last, der Kraftamplitude, der Frequenz oder der Zeit.Analog zu einem Rasterkraftmikroskop kann die Indenterspitze zur Aufnahme topographischer Abbildungen der Probe (in-situ imaging-Funktion) genutzt werden. Auf diese Weise kann die Probenoberfläche vor und nach einer Beanspruchung abgebildet werden. Zudem können anhand von in-situ-imaging-Abbildungen gezielt Positionen für nachfolgende Indentierungen ausgewählt werden. Für Messungen in Flüssigkeit steht eine spezielle Flüssigkeitszelle zur Verfügung, die das Einstellen definierter Umgebungsbedingungen ermöglicht.

Spezifikationen des TriboIndenters (Transducer Spezifikationen)

Literatur

[1] Doerner, M. F. und Nix, W. D. (1986) A method for interpreting the data from depth-sensing indentation instruments. J. Mater. Res. 1(4): 601-609.
[2] Oliver, W. C. und Pharr, G. M. (1992) An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res. 7: 1564.
[3] Sneddon, I. N. (1965) The relation between load and penetration in the axisymmetric Boussinesq problem for a punch of arbitrary profile. Int. J. Eng. Sci. 3(47).