Dissertations

In order to reveal the quantitative relationship between fatigue crack deflection path and cross-sectional grain boundary (GB) arrangement of metallic nanolayered composites (NLCs), a stochastic model was established based on the interface-dominant fatigue damage for the ultrafine-scale NLCs. The model indicates that the crack deflection length decreases with decreasing GB arrangement deviation and grain size of constituent layers. The observation and quantitative analysis of fatigue cracking behavior of the Cu/W multilayers with a layer thickness of 5 and 20 nm was conducted to verify the model.

In der Automobilindustrie werden Injektorkomponenten mit kohlenstoffhaltigen Verschleißschutzschichten, den sogenannten diamond like carbon Schichten (DLC oder auch a-C:H), beschichtet. Aufgrund des niedrigen Reibwertes und des hohen Verschleißwiderstandes werden diese Schichten häufig zur Erhöhung der Lebensdauer im Einspritzbereich verwendet. (1) Eine a-C:H-Schicht weist standardmäßig eine Temperaturbeständigkeit von circa 350 ˚C auf. Bei Temperaturen höher 350 ˚C degradiert die Schicht langsam und verliert an Leistungsfähigkeit. Durch zunehmende Anforderungen im Realbetrieb steigen die Drücke und damit Einsatztemperaturen im Injektor. (2,3) In der Literatur wird oftmals die Dotierung der a-C:H-Schichten mit Silizium zur Erhöhung der thermischen Beständigkeit diskutiert. Silizium verschiebt die thermische Beständigkeit zu höheren Temperaturen. Je mehr Silizium in der a-C:H-Schicht enthalten ist, desto höher wird die thermische Beständigkeit. Allerdings verändern sich auch andere Schichteigenschaften mit steigendem Silizium-Gehalt. Zum Beispiel sinkt der Reibwert durch eine Silizium-Dotierung. Die Verschleißbeständigkeit verschlechtert sich hingegen drastisch. Weiterhin nimmt die Härte mit steigendem Silizium-Gehalt ab. (4) Eine derartig dotierte a-C:H:Si-Schicht würde demnach im Realbetrieb eines Injektors deutlich schneller verschleißen als eine undotierte DLC-Schicht. Die Entwicklung einer thermisch und gleichzeitig verschleißbeständigen Schicht ist somit für die Automobilindustrie notwendig. Ziel dieser Arbeit ist die Erhöhung der thermischen Beständigkeit unter Beibehaltung der herausragenden Verschleißschutzeigenschaften einer a-C:H-Schicht. Es wurde der Einfluss zweier unterschiedlicher kohlenwasserstoffhaltiger Prozess-gase in Abhängigkeit von Bias-Spannung, Bias-Strom und Gasfluss untersucht. Des Weiteren wurden jeweils die optimierten Schichten, die aus diesen Prozessgasen hergestellt werden konnten, zur Erhöhung der thermischen Stabilität mit Silizium dotiert. Durch die systematische Analyse verschiedener Dotierungs- und Schichtvariationen wurde eine a-C:H:Si-Schicht entwickelt, welche die Anforderung der höheren thermischen Beständigkeit bei gleichbleibendem Verschleißschutz erfüllt.