Sintern keramischer Schichten auf steifen Substraten

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Fraunhofer IWM: Dünne Keramikschicht (Schichtdicke ca. 4 µm) auf steifem Substrat im ungesinterten Zustand
Dünne Keramikschicht (Schichtdicke ca. 4 µm) auf steifem Substrat im ungesinterten Zustand (Quelle: Technische Universität Darmstadt).

Sintern bildet den abschließenden Teil des Herstellungsprozesses metallischer oder keramischer Bauteile in der Pulvertechnologie. Dazu wird der vorgeformte Werkstoff durch thermische Aktivierung verdichtet.
 
Typische vorausgehende Formgebungsverfahren sind Press- oder Gießvorgänge (z.B. Foliengießen). Das poröse Gefüge, der sogenannte Grünkörper, besitzt schon die Gestalt des gewünschten Bauteils, allerdings noch nicht die erforderliche Festigkeit für den praktischen Einsatz. Um dies zu erreichen, wird der Grünkörper erhitzt, woraufhin Diffusionsprozesse einen Materietransport von den Pulverkörnern in den Porenraum zwischen den Körnern bewirken. Dies führt zu einer deutlichen Volumenabnahme und gleichzeitig zu einer Verdichtung des gesamten Körpers. Auf diese Weise lassen sich kostengünstig und präzise Bauteile mit hoher Festigkeit herstellen.
 
Einen Spezialfall bildet das so genannte Sintern unter Schwindungsbehinderung (engl. „Constrained Sintering“). Hier wird der Grünkörper auf ein steifes Substrat aufgetragen, das nicht mitsintert. Als Folge dessen ist das Bauteil während dem Sintervorgang in seiner radialen Bewegung eingeschränkt, und die Verdichtung findet fast ausschließlich senkrecht zum Substrat statt. Dies kann beispielsweise bei der präzisen Fertigung dünner Keramikfolien, wie sie in Mehrlagenschaltungen verwendet werden, ausgenutzt werden.

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Problemstellung

Fraunhofer IWM: Schnitt durch die Keramikschicht knapp oberhalb des Substrats nach drei Stunden Sinterzeit
Schnitt durch die Keramikschicht knapp oberhalb des Substrats nach drei Stunden Sinterzeit (Farbkodierung: lokale Dichte).

Die von dem Substrat hervorgerufene Schwindungsbehinderung beim Sintern einer dünnen keramischen Schicht kann zu einem anisotropen Gefügezustand führen und die Ausbildung von Rissen begünstigen. Dies kann die Lebensdauer des gewünschten Bauteils stark verkürzen. Für die Untersuchung dieser Effekte, deren Ursachen in der Mikrostruktur des Keramikfilms liegen, ist ein Einblick in die Vorgänge auf Pulverkornebene unerlässlich.

Das Softwarepaket SimPARTIX® erlaubt aufgrund seines partikelbezogenen Ansatzes eine Simulation des Sinterns auf Pulverkornebene. Mikroskopische Effekte wie Partikelumordnungen oder Reibung zwischen Keramikpartikeln werden dabei auf natürliche Art und Weise berücksichtigt. Die mikrostrukturelle Entwicklung während des Sintervorgangs kann somit sehr einfach und kostengünstig nachgebildet und analysiert werden.

Am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM wird im Rahmen des Forschungsprojekts der Deutschen Forschungsgemeinschaft Sintern dünner keramischer Schichten auf steifen Substraten (KR 1729/10-1) mit Hilfe von SimPARTIX® untersucht, inwieweit sich Rissentstehung und -ausbreitung vermeiden oder zumindest steuern lassen.

Begleitend werden dazu am Fachbereich für Material- und Geowissenschaften der Technischen Universität Darmstadt Experimente zum Sintern unter Schwindungsbehinderung durchgeführt. Mit diesen Experimenten werden die Simulationsergebnisse anschließend verglichen und verifiziert.

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Ergebnisse

Mit SimPARTIX® lässt sich das globale und lokale Verdichtungsverhalten einer dünnen keramischen Schicht während des Sintervorgangs in Abhängigkeit unterschiedlicher Parameter wie Pulverbeschaffenheit, Abmessung oder Aufheizrate bequem untersuchen. Es ist es möglich, hochaufgelöst die lokale Dichte zu bestimmen, um etwa Bereiche niedriger Dichten zu ermitteln oder (Mikro-)Risse sichtbar zu machen.

Der Einfluss der interpartikulären Reibung auf das Umordnungsverhalten von Partikeln und damit indirekt auch auf die Ausbildung von Poren und Rissen war ebenso Bestand bisheriger Untersuchungen wie das Sinterverhalten unter verschiedenen Temperaturen.

Unsere Analysen haben u.a. ergeben [Ras12], dass es beim Sintern dünner Streifen unter Schwindungsbehinderung zu einem Ablösen des Films vom Substrat an den seitlichen Rändern kommen kann. Aussehen und Länge eines solchen Delaminationsrisses sowie die Verformung im Streifenquerschnitt wird dabei maßgeblich von der Schichtdicke beeinflusst.

Darüber hinaus wurden Simulationen an Proben mit gezielt angebrachten Defekten unternommen und untersucht, inwieweit dies die unerwünschte Rissausbildung begünstigt.

Fraunhofer IWM: REM-Aufnahme und Simulation eines gesinterten Keramikstreifens bei einer relativen Gesamtdichte von 87%. Die gestrichelte Linie zeigt die Anfangskontur des Streifenquerschnitts
REM-Aufnahme und Simulation eines gesinterten Keramikstreifens bei einer relativen Gesamtdichte von 87%. Die gestrichelte Linie zeigt die Anfangskontur des Streifenquerschnitts. Farbkodierung: Lokale Dichte.

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