Die Randspaltbildung adhäsiver Restaurationen stellt bis heute ein grundlegendes Problem dar. Ziel dieser Untersuchung war die In-vitro-Evaluation der Randadaptation von Klasse-II-Kompositfüllungen nach künstlicher Alterung in Abhängigkeit von Kavitätentiefe, Komposit und Schichttechnik. Zu diesem Zweck wurden an 48 extrahierten Weisheitszähnen mittels sonoabrasiven Präparationsinstrumenten zwei unterschiedlich standardisierte Klasse-II-Kavitäten (flache Kavität bzw. tiefe Kavität) hergestellt. Diese wurden mit Hilfe zweier Schichttechniken (Drei-Schicht-Technik bzw. Schalentechnik) und zweier Komposite (Hybridkomposit (Tetric Ceram, Ivoclar) bzw. Nano-Hybridkomposit (Grandio, Voco)) gefüllt. Nach künstlicher Alterung mittels Thermocycling und Wasserlagerung wurden die Proben zur Beurteilung der Randadaptation mittels Farbstoffpenetration und unter dem Rasterelektronenmikroskop qualitativ und quantitativ bewertet. Die Ergebnisse wurden mittels dreifaktorieller Varianzanalyse auf statistische Signifikanz untersucht. Ein Einfluss des Kavitätenvolumens auf die Randadaptation konnte in dieser Studie nicht eindeutig nachgewiesen werden. Es zeigte sich jedoch am vertikalen Rand eine signifikant schlechtere Randadaptation aufgrund der häufigeren Ausbildung eines Spalts bei großem Kavitätenvolumen. Bezüglich der Schichttechnik konnte ein Einfluss auf die Randqualität gezeigt werden: Bei beiden Auswertungsmethoden war die Schalentechnik signifikant gegenüber der Drei-Schicht-Technik überlegen. Ebenfalls konnte ein Einfluss des Komposits auf die Randadaptation nachgewiesen werden: Keines der beiden getesteten Komposite war generell überlegen; es zeigte sich vielmehr eine signifikante Abhängigkeit von Komposit und Schichttechnik. Das Hybridkomposit zeigte gegenüber dem Nano-Hybridkomposit bessere Randqualitäten bei den mit Hilfe der Schalentechnik gefüllten Kavitäten. Bei den mittels Drei-Schicht-Technik gefüllten Kavitäten schnitt hingegen das Nano-Hybridkomposit besser ab. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass das Hybridkomposit seine Fähigkeit zum Nachfließen während der Polymerisation, welche auf sein geringes E-Moduls zurückzuführen ist, in Schichten mit kleinem C-Faktor ausnutzen und so seine größere Volumenschrumpfung ausgleichen kann. Schichtungen mit großem C-Faktor verringern die Möglichkeit des Nachfließens und das Nano-Hybridkomposit zeigt dort bessere Randadaptation aufgrund seiner niedrigeren Volumenschrumpfung. Diese Studie konnte zeigen, dass sowohl Materialeigenschaften wie Volumenschrumpfung und E-Modul als auch der C-Faktor - und damit verbunden die Füllungstechnik - entscheidenden Einfluss auf die Randadaptation von in vitro gelegten Füllungen in standardisierten Klasse-II-Kavitäten haben. Die Studie stellte heraus, dass diese drei Faktoren (Volumenschrumpfung, E-Modul und C-Faktor) nicht getrennt voneinander betrachtet werden sollten. Es zeigte sich, dass für Klasse-II-Kavitäten die Schalentechnik signifikant überlegen in Bezug auf die Randschlussqualität ist; dies gilt insbesondere für das Hybridkomposit „Tetric Ceram“. / Objectives: To evaluate the influence of cavity depth, polymerization shrinkage and application technique on marginal seal and margin fidelity of class II resin-based composite restorations. Methods: Standardized MOD class II cavities were prepared in extracted human molars. Occlusal boxes were 3.5mm wide and either 3mm or 4.5mm deep. Standardized interproximal boxes (box size: 3.5x4.5mm, bevel size 5.5x5.5mm) were prepared using sonic shape preparation instruments (SonicSys Approx Size 3) and reciprocating files (Bevelshape B15C). After application of a 3-step etch&rinse adhesive (Optibond FL), the cavities were restored using a resin-based composite of high (Tetric Ceram, 2.8%) or low polymerization shrinkage (Grandio, 1.6%). Interproximal boxes were restored using either a centripetal or a horizontal layering technique. After water storage (30 days, 37°C) and thermocycling (2500x 5-55°C), margin quality was evaluated in the SEM using the replica technique. Marginal seal was studied using dye penetration (AgNO3 50%, 2h, 37°C). For each combination of parameters six specimens were prepared. Results were analyzed using 3-way ANOVA. Results:The centripetal layering technique produced less dye penetration (P<0.01) and margin gaps (P<0.001) than the horizontal layering technique. This difference was more pronounced for the high shrinkage composite (interaction: P<0.05 / P<0.001).

In this bachelor thesis we report on our numerical investigations into the optimal design of protective multi-layer coatings subject to an external force of Hertzian form. In view of mechanical reliablity and durability of the substrate and the coating we aim to find the best composition of given materials with the least computational effort. Numerical studies are carried out using the simulation software ELASTICA being the first non-FEM approach for the computation of stress fields within multi-layer coated, elastic materials. We thereby made use of the massive parallel computer CLiC (Chemnitzer Linux Cluster) where we ran our Windows based application in a Wine Environment. The outcome of the optimization is in general very sensitive towards the input parameters(i.e., material properties) which are not always available in the desired accuracy. However, the scheme outlined in this work is shown to produce very good results and could contribute a great deal to find optimal solutions for real applications. / Diese Bachelorarbeit befasst sich mit numerischen Untersuchungen zum optimalen Design von schützenden Mehrschichtbeschichtungen, die einer externen, Hertzschen Last ausgesetzt sind. Hinsichtlich der mechanischen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Substrat und Beschichtung, versuchen wir die beste Zusammensetzung von gegebenen Materialien mit möglichst geringem Rechenaufwand zu finden. Die numerischen Berechungen wurden mit der Simulationssoftware ELASTICA durchgeführt, welches das erste kommerzielle, nicht-FEM-basierte Programm zur Berechnung von Stressfeldern innerhalb mehrfach beschichteter, elastischer Materialien darstellt. Dafür benutzten wir auf dem massiven Parrallelrechner CLiC (Chemnitzer Linux Cluster) unsere Windows basierte Anwendung unter der Emulationssoftware Wine. Das Ergebnis der Optimierung hängt im allgemeinen sehr stark von der Qualität der Eingangsparameter (z.B. Materialeigenschaften) ab, welche nicht immer in der erwünschten Genauigkeit vorliegen. Es wird gezeigt, dass die in dieser Arbeit vorgestellte Vorgehensweise sehr gute Resultate liefert und für reale Anwendungen einen äusserst ressourcenschonenden Lösungsweg darstellt.

Nanoindentations-Messungen haben in den letzten Jahrzehnten als Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten stark an Bedeutung gewonnen. Für die Gewinnung eines tiefergreifenden Verständnisses des mechanischen Verhaltens dieser Schichten ist die Kenntnis des Elastizitätsmoduls und der Fließgrenze von essentieller Bedeutung – nicht zuletzt, da diese auch als Eingabeparameter für Simulationen des Materialverhaltens gefordert sind. Eine noch nicht im Detail verstandene Forschungsfrage bei der Kennwertermittlung ist die Berücksichtigung des Dünnschichtcharakters der Proben, deretwegen diese Untersuchungen im Wesentlichen immer noch einen Grundlagencharakter tragen und derzeit Gegenstand intensiver weltweiter Forschung sind. Auswege für eine solche Berücksichtigung existieren bisher nur für wenige Anwendungsfälle. Das Konzept des effektiven Indenters stellt eine Erweiterung der Auswerteansätze und damit neue Möglichkeit für die mechanische Charakterisierung der Dünnschichteigenschaften dar. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit dieses Konzept zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls dünner Schichten geeignet ist. Ebenso werden die Untersuchungen auf die Fließgrenze ausgeweitet. Beispielhaft kommen unterschiedliche Schichtmaterialien zum Einsatz, mit denen der Unterschied zwischen den Schicht-Substrat-Eigenschaften – Elastizitätsmodul und Fließgrenze – variiert werden kann. Durch Vergleich der für die BERKOVICH-Eindrücke erhaltenen Ergebnisse zu den mittels der Kugeleindrucksversuche bestimmten Werte – als etabliertes Messverfahren – wird festgestellt, dass o. g. Konzept prinzipiell für die oben angeführten Fragestellungen geeignet ist, insofern die erreichten Eindringtiefen im Vergleich zur Schichtdicke relativ gering sind. Physikalische Ursachen für dieses Verhalten werden vorgeschlagen und diskutiert. Ebenso wird eine spezielle Vorgehensweise des Konzepts des effektiven Indenters für die Charakterisierung von porösen sowie nichtporösen Low-k-Schichtmaterialien untersucht. Zusätzlich werden Finite-Elemente-Simulationen für grundlegende Betrachtungen zur Wirkungsweise des o. g. Konzepts anhand von massiven Proben herangezogen. / Considerable research effort has focused on measuring the mechanical properties of thin films via nanoindentation. To characterize the mechanical behavior of thin films, accurate determination of Young’s modulus and yield strength is required. For the purpose of modeling and dimensioning, these quantities serve as input parameters as well. An existing major challenge in the context of (nanoindentation) data analysis is the complete consideration of the layered structure of the specimen. In the literature, a few experimental and theoretical-based approaches have been developed to extract actual film properties. However, those approaches are only applicable under specific conditions and, hence, the problem is not satisfyingly solved to date. Therewith, investigations of accurately assessing mechanical properties of thin films, in general, or Young’s modulus and yield strength, in detail, are still part of ongoing research in the field of mechanical testing in materials research and development. The concept of the “effective indenter” is an extension of the current and established analysis of nanoindentation data and is a new possibility to determine mechanical properties of thin films. In this work, an investigation is given concerning the suitability of the model, in a specific approximation, for determining Young’s modulus of thin films. In a second step, the investigations are focused on the determination of yield strength. Film/substrate composites having a varying ratio of modulus and yield strength between film and substrate are chosen; BERKOVICH indentations are analyzed and spherical indentation experiments are used as second and independent technique. It is shown that the model is suitable to deliver Young’s modulus of thin films. However, a critical ratio of indentation depth to film thickness is identified; for ratios above this critical value, the model, in the present approximation, can no longer be used. Physical mechanisms that explain this finding are suggested and discussed. Moreover, the above-mentioned model is used to characterize the very specific class of materials of non-porous and porous low-k dielectric thin films in terms of yield strength and Young’s modulus. Finally, finite element modeling is used to study critical issues in applying the model of the “effective indenter” and its specific approximation used here for analysis of nanoindentation data for bulk materials.

Polymer/Metall-Schichtsysteme mit Ausmaßen auf der Nanometer-Skala repräsentieren eine wichtige Materialklasse, welche für Untersuchungen von Grenzflächen- und Größeneffekten eine besondere Rolle spielen. Interessanterweise beobachtet man bei der Herstellung von Polymer/Metall-Systemen mit der gepulsten Laserdeposition spannungsinduzierte Wellenbildung in den Metallschichten, wenn diese auf einem Polymer mit einem niedrigen Elastizitätsmodul deponiert werden. Die Druckspannungen in den Metallschichten lassen sich aufgrund der hohen kinetischen Energien der deponierten Teilchen (100 eV) erklären. Die Biegebalkentheorie beschreibt dabei den Zusammenhang zwischen der ausgebildeten Wellenlänge und den Eigenschaften der beiden Komponenten. Aufgrund dieses Verständnisses ist es möglich, die gemessene Wellenlänge als Messmethode zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der beiden Komponenten zu verwenden. Des Weiteren kann die Wellenlänge ganz gezielt durch Variation der Schichtdicke beider Komponenten eingestellt werden. Durch eine Steigerung des Elastizitätsmoduls der Polymerschicht ist es möglich, glatte Metallschichten ohne Wellenbildung herzustellen. Auf diese Weise lassen sich auch glatte, periodische Polymer/Metall-Schichtsysteme mit der gepulsten Laserdeposition herstellen, welche viele Möglichkeiten bieten sowohl für wissenschaftliche Fragestellungen als auch für Anwendungen.

Carbon forms the basis of a variety of compounds. The allotropic forms of carbon include graphene, fullerenes, graphite, carbon nanotubes and diamond. All these structures possess unique physical and chemical properties. This work focusses on the usage of carbon nanotubes (CNT), especially iron-filled CNT. An industrial application of CNT requires the understanding of the growth mechanism and the control of the synthesis process parameters. Regarding iron-filled CNT the shell formation as well as the filling process has to be understood in order to control the CNT morphology and distribution and dimension of the iron filling. The thesis involves two topics - synthesis of CNT and characterization of their mechanical properties. Chapter 2 of the present work deals with the synthesis of iron-filled CNT. In this thesis all experiments and the discussion about the growth process were conducted with respect to the demands of magnetic force microscopy probes. The experimental work was focused on the temperature profile of the furnace, the aluminum layer of the substrate, the precursor mass flow and their impact on the morphology of in-situ iron-filled CNT. By selecting appropriate process parameters for the temperature, sample position, gas flow and by controlling the precursor mass flow, CNT with a continuous filling of several microns in length were created. Existing growth models have been analyzed and controversially discussed in order to explain the formation of typical morphologies of in-situ filled CNT. In this work a modified growth model for the formation of in-situ filled CNT has been suggested. The combined-growth-mode model is capable to explain the experimental results. Experiments which were conducted with respect to the assumptions of this model, especially the role of the precursor mass flow, resulted in the formation of long and continuous iron nanowires encapsulated inside multi-walled CNT. The modified growth model and the synthesis results showed, that besides the complexity of the parameter interaction, a control of the morphology of in-situ iron-filled CNT is possible. In chapter 3 the measurements of mechanical properties of in-situ iron-filled CNT are presented. Two different experimental methods and setups were established, whereby one enabled a static bending measurement inside a TEM and another a dynamical excitation of flexural vibration of CNT inside SEM. For the first time mechanical properties and in particular the effective elastic modulus Eb of in-situ iron-filled CNT were determined based on the Euler-Bernoulli beam model (EBM). This continuum mechanic model can be applied to describe the mechanical properties of CNT and especially MWCNT in consideration of the restriction that CNT represent a macro molecular structure built of nested rolled-up graphene layers. For evaluation and determination of the elastic modulus the envelope of the resonant vibrating state was evaluated by fitting the EBM to the experimental data. The experiments also showed, that at the nanoscale the properties of sample attachment have to be taken into account. Thus, instead of a rigid boundary condition a torsion spring like behavior possessing a finite stiffness was used to model an one side clamped CNT. The extended data evaluation considering the elastic boundary conditions resulted in an average elastic modulus of Eb = 0.41 ± 0.11 TPa. The low standard deviation gives evidence for the homogeneity of the grown material. To some extend a correlation between the formation process, the morphology and the mechanical properties has been discussed. The obtained results prove the usability of this material as free standing tips for raster scanning microscopy and especially magnetic force microscopy. The developed methods provide the basis for further investigations of the CNT and the understanding of mechanical behavior in greater detail.

Die Arbeit behandelt ausgewählte Aspekte der Ausbildung strömungsinduzierter Orientierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften in spritzgegossenen LCP-Formteilen. Es werden die Grundlagen zum rheologischen Verhalten von LCP, zum Füllvorgang und zur Orientierungsausbildung beim Spritzgießen sowie zu den Methoden der Orientierungsuntersuchung zusammengefaßt. Rheologische Untersuchungen werden aus der Sicht der praktischen Kennwertermittlung durchgeführt. Dabei wird die Abhängigkeit der Viskosität von der Düsenlänge und von der thermo-rheologischen Vorgeschichte analysiert sowie eine Viskosimeter-Vorrichtung für die Spritzgießmaschine vorgestellt und erprobt. Die umfangreiche Analyse verarbeitungsinduzierter Formteileigenschaften behandelt schwerpunktmäßig Orientierungsphänomene in der Wanddickenrichtung. Die Orientierungseffekte werden durch Grauwertmessungen erfaßt. Ein Meßaufbau mit einer kalibrierten Mikroskop-Digitalkamera-Kombination ermöglicht die reproduzierbare, effektive Messung der Grauwerte in hoher Ortsauflösung und damit eine über die bisher bekannten qualitativen Vergleiche hinausgehende quantitative Auswertung. Anhand der Grauwertverläufe wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter auf die Orientierungsstruktur dargelegt und mit Ergebnissen der Computersimulation verglichen. Durch parallele Messung anisotroper mechanischer Kennwerte und Orientierungsmerkmale werden richtungsabhängige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bestimmt.

Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) gelten seit einigen Jahren als vielversprechendes neuartiges Material für verschiedenste Anwendungen in der Technik unterschiedlicher Fachgebiete. Von besonderem Interesse, z.B. in Leichtbaustrukturen, sind die postulierten exzellenten mechanischen Eigenschaften der einzelnen CNTs hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit. Diese auf der Nanoskala identifizierten Eigenschaften sollen auch in makroskopischen Bauteilen zu besonders guten mechanischen Eigenschaften führen. Demonstriert werden kann dies zum Beispiel an einer neuartigen Faser, die aus einer Vielzahl individueller Kohlenstoffnanoröhren gesponnen wurde. An dieser Faser durchgeführte Tests zeigen jedoch, dass die Eigenschaften nicht in der gewünschten Höhe von der Nanoskale auf die Makroskale übertragen werden. Um diesen Effekt erklären und evtl. beheben zu können, sowie für das Design von Strukturen aus Nanoröhren ('Superstrukturen') und einige weitere Anwendungen, sind Simulationsmodelle nötig, die die grundlegenden mechanischen (elastischen) Eigenschaften beschreiben können und zudem mit einer sehr großen Anzahl beteiligter CNTs und damit Atome umgehen können. Betrachtet man dies zusätzlich unter dem Aspekt, dass, beispielsweise zu Designzwecken, jeweils Rechnungen zu mehreren Varianten notwendig sind, ist verständlich, dass für jeden Durchlauf nur eine begrenzte Menge an Rechenzeit aufgebracht werden soll. Daher wird in der vorliegenden Arbeit ein mechanisches Modell der Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, das die geforderte Aufgabe um ein Vielfaches schneller als quantenmechanische Methoden oder auch klassische Molekulardynamik behandeln kann. Basis hierfür ist ein molekularmechanischer Ansatz, der ein Ersatzmodell der betrachteten Kohlenstoffnanoröhre aus Balkenelementen erzeugt. Die zur Definition des Balkenfachwerks nötigen Balkeneigenschaften werden hierbei aus einem zugrundeliegenden chemischen Kraftfeld abgeleitet, das die kovalenten Bindungen zwischen den Atomen der Nanoröhre beschreibt. Der Ansatz ist damit in die Klasse der 'molecular structural mechanics' (MSM) Ansätze einzuordnen. Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit ist zunächst ein etabliertes MSM-Modell, dessen Schwächen in der vorliegenden Arbeit analysiert werden. Dabei wird festgestellt, dass der bisher verwendete MSM-Ansatz nicht energetisch konsistent zum zugrundeliegenden chemischen Kraftfeld ist. Dieser Umstand wird zunächst durch die Entwicklung eines modifizierten MSM-Modells behoben. Anschließend wird gezeigt, dass dieses Modell energetisch konsistent zum eingesetzten Kraftfeld ist. Um weitere Fortschritte mit dem gewählten molekularmechanischen Ansatz zu erzielen, wird dann ein verallgemeinertes MSM-Modell auf Basis eines fortschrittlichen chemischen Kraftfeldes entwickelt, das weitere Nachteile des ursprünglichen Ansatzes behebt und universeller einsetzbar ist. Das Modell wird dann zur Bestimmung der elastischen Konstanten von Armchair und Zig-zag CNTs eingesetzt und die erhaltenen Ergebnisse diskutiert.:1. Grundlagen 2. Modellbildung und Simulation einwandiger Kohlenstoffnanoröhren 3. Ergebnisse und Diskussion zum Zweck der Modellentwicklung 4. Ergebnisse und Diskussion der elastischen Parameter einwandiger CNTs 5. Zusammenfassung und Ausblick / For several years now, Carbon Nanotubes (CNTs) are seen as a promising new material for manifold applications in new technologies from different fields. The predicted excellent mechanical properties such as high strength and stiffness are of particual interest e.g. in lightweight structures. The nanoscopic propertiers are prone to lead to good mechanical properties also in macrosopic parts. This can be demonstrated for instance on the basis of a novel type of carbon fiber which is spun out of a multitude of individual carbon nanotubes. However, tests of the fibre show that the outstanding properties on the nanoscale are not fully transfered to the macroscale. In order to explain this effect as well as for designing structures made out of nanotubes (so called super structures) and other applications, models for simulations are needed. These models should be capable of reproducing the basic (elastic) mechnical properties of the nanotubes as well as to be capcable of dealing with a large number of participating nanotubes and hence atoms. Considering the additional aspect that multiple calculations of similar systems, e.g. for design purposes, are required, it is easy to understand, that for each calculation only a limited amount of computational effort is affordable. Hence, in the present work a mechanical model for the carbon nanotubes is developed which can fulfil the requested task in a much shorter time than quantummechanical or moleculardynamic calculations. The model is based on a molecular mechanics approach which creates a substitute model for the carbon nanotube based on beam elements. The parameters mandatory to define the beam elements in the beam framework are obtained on the basis of a chemical force field forming the foundation of the approach. The chemical force fields describes the properties of the covalent bonds in the carbon nanotube. As a result, the proposed model can be classified to be part of the molecular structural mechanics (MSM) approaches. Starting point of the present work is a well known MSM-model which is at first analyzed in order to identify its drawbacks. During this investigation it is found, that the model used so far is not consistent in terms of energy to its underlying chemical force field. This problem is fixed by the development of a modified MSM-approach. It is shown that this modified approach is now consistent to the underlying chemical force field in terms of energy. In order to further improve the method, a generalized, advanced MSM-framework is developed on the basis of a sophisticated chemical force field. This advanced framework resolves further drawbacks of the models and enables a more general application of the model. The obtained model is then used to calculate and discuss the elastic constants of Armchair and Zig-zag Carbon Nanotubes.:1. Grundlagen 2. Modellbildung und Simulation einwandiger Kohlenstoffnanoröhren 3. Ergebnisse und Diskussion zum Zweck der Modellentwicklung 4. Ergebnisse und Diskussion der elastischen Parameter einwandiger CNTs 5. Zusammenfassung und Ausblick

The tradition of using naturally occurring plant fibers is still alive in Africa. In the Uíge province of northern Angola, bast fibers from Triumfetta cordifolia serve as the basis for everyday objects, such as baskets, mats, fishing nets, and traditional clothing. The fibers exhibit a Young’s modulus of 53.4 GPa and average tensile strength of 916.3 MPa, which are comparable to those of commercial kenaf fibers. These values indicate a high potential for use as a reinforcement in biocomposites. Based on this promising mechanical and physical profile of individual fibers, different biocomposites were produced with polylactide (PLA) as a matrix. The obtained composites were analyzed mechanically, physically, and visually. Unidirectionally arranged PLA/33% T. cordifolia composites with continuous fibers showed the highest Young’s modulus (10.79 GPa ± 1.52 GPa) and tensile strength (79.37 MPa ± 14.01 MPa). These composites were comparable to those of PLA/30% hemp composites (10.9 GPa and 82.9 MPa, respectively) and therefore have economic potential.

In this bachelor thesis we report on our numerical investigations into the optimal design of protective multi-layer coatings subject to an external force of Hertzian form. In view of mechanical reliablity and durability of the substrate and the coating we aim to find the best composition of given materials with the least computational effort. Numerical studies are carried out using the simulation software ELASTICA being the first non-FEM approach for the computation of stress fields within multi-layer coated, elastic materials. We thereby made use of the massive parallel computer CLiC (Chemnitzer Linux Cluster) where we ran our Windows based application in a Wine Environment. The outcome of the optimization is in general very sensitive towards the input parameters(i.e., material properties) which are not always available in the desired accuracy. However, the scheme outlined in this work is shown to produce very good results and could contribute a great deal to find optimal solutions for real applications. / Diese Bachelorarbeit befasst sich mit numerischen Untersuchungen zum optimalen Design von schützenden Mehrschichtbeschichtungen, die einer externen, Hertzschen Last ausgesetzt sind. Hinsichtlich der mechanischen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Substrat und Beschichtung, versuchen wir die beste Zusammensetzung von gegebenen Materialien mit möglichst geringem Rechenaufwand zu finden. Die numerischen Berechungen wurden mit der Simulationssoftware ELASTICA durchgeführt, welches das erste kommerzielle, nicht-FEM-basierte Programm zur Berechnung von Stressfeldern innerhalb mehrfach beschichteter, elastischer Materialien darstellt. Dafür benutzten wir auf dem massiven Parrallelrechner CLiC (Chemnitzer Linux Cluster) unsere Windows basierte Anwendung unter der Emulationssoftware Wine. Das Ergebnis der Optimierung hängt im allgemeinen sehr stark von der Qualität der Eingangsparameter (z.B. Materialeigenschaften) ab, welche nicht immer in der erwünschten Genauigkeit vorliegen. Es wird gezeigt, dass die in dieser Arbeit vorgestellte Vorgehensweise sehr gute Resultate liefert und für reale Anwendungen einen äusserst ressourcenschonenden Lösungsweg darstellt.

Nanoindentations-Messungen haben in den letzten Jahrzehnten als Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten stark an Bedeutung gewonnen. Für die Gewinnung eines tiefergreifenden Verständnisses des mechanischen Verhaltens dieser Schichten ist die Kenntnis des Elastizitätsmoduls und der Fließgrenze von essentieller Bedeutung – nicht zuletzt, da diese auch als Eingabeparameter für Simulationen des Materialverhaltens gefordert sind. Eine noch nicht im Detail verstandene Forschungsfrage bei der Kennwertermittlung ist die Berücksichtigung des Dünnschichtcharakters der Proben, deretwegen diese Untersuchungen im Wesentlichen immer noch einen Grundlagencharakter tragen und derzeit Gegenstand intensiver weltweiter Forschung sind. Auswege für eine solche Berücksichtigung existieren bisher nur für wenige Anwendungsfälle. Das Konzept des effektiven Indenters stellt eine Erweiterung der Auswerteansätze und damit neue Möglichkeit für die mechanische Charakterisierung der Dünnschichteigenschaften dar. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit dieses Konzept zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls dünner Schichten geeignet ist. Ebenso werden die Untersuchungen auf die Fließgrenze ausgeweitet. Beispielhaft kommen unterschiedliche Schichtmaterialien zum Einsatz, mit denen der Unterschied zwischen den Schicht-Substrat-Eigenschaften – Elastizitätsmodul und Fließgrenze – variiert werden kann. Durch Vergleich der für die BERKOVICH-Eindrücke erhaltenen Ergebnisse zu den mittels der Kugeleindrucksversuche bestimmten Werte – als etabliertes Messverfahren – wird festgestellt, dass o. g. Konzept prinzipiell für die oben angeführten Fragestellungen geeignet ist, insofern die erreichten Eindringtiefen im Vergleich zur Schichtdicke relativ gering sind. Physikalische Ursachen für dieses Verhalten werden vorgeschlagen und diskutiert. Ebenso wird eine spezielle Vorgehensweise des Konzepts des effektiven Indenters für die Charakterisierung von porösen sowie nichtporösen Low-k-Schichtmaterialien untersucht. Zusätzlich werden Finite-Elemente-Simulationen für grundlegende Betrachtungen zur Wirkungsweise des o. g. Konzepts anhand von massiven Proben herangezogen. / Considerable research effort has focused on measuring the mechanical properties of thin films via nanoindentation. To characterize the mechanical behavior of thin films, accurate determination of Young’s modulus and yield strength is required. For the purpose of modeling and dimensioning, these quantities serve as input parameters as well. An existing major challenge in the context of (nanoindentation) data analysis is the complete consideration of the layered structure of the specimen. In the literature, a few experimental and theoretical-based approaches have been developed to extract actual film properties. However, those approaches are only applicable under specific conditions and, hence, the problem is not satisfyingly solved to date. Therewith, investigations of accurately assessing mechanical properties of thin films, in general, or Young’s modulus and yield strength, in detail, are still part of ongoing research in the field of mechanical testing in materials research and development. The concept of the “effective indenter” is an extension of the current and established analysis of nanoindentation data and is a new possibility to determine mechanical properties of thin films. In this work, an investigation is given concerning the suitability of the model, in a specific approximation, for determining Young’s modulus of thin films. In a second step, the investigations are focused on the determination of yield strength. Film/substrate composites having a varying ratio of modulus and yield strength between film and substrate are chosen; BERKOVICH indentations are analyzed and spherical indentation experiments are used as second and independent technique. It is shown that the model is suitable to deliver Young’s modulus of thin films. However, a critical ratio of indentation depth to film thickness is identified; for ratios above this critical value, the model, in the present approximation, can no longer be used. Physical mechanisms that explain this finding are suggested and discussed. Moreover, the above-mentioned model is used to characterize the very specific class of materials of non-porous and porous low-k dielectric thin films in terms of yield strength and Young’s modulus. Finally, finite element modeling is used to study critical issues in applying the model of the “effective indenter” and its specific approximation used here for analysis of nanoindentation data for bulk materials.