title: Bioinspirierte Diamantlaminate: Herstellung und Eigenschaften
Creators: name: Fromm, Timo
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Diamantlaminate
subject: Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
subject: Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
subject: Bruchzähigkeit
subject: Bioinspiriert
subject: Perlmutt
subject: Diamond laminates
subject: Chemical Vapor Deposition (CVD)
subject: Physical Vapor Deposition (PVD)
subject: Fracture toughness
subject: Bioinspired
subject: Nacre
subject: Laserstrukturierung
subject: Laser Structuring

description: Diamant in Form von dichten, haftfesten Schichten bietet eine hervorragende Möglichkeit Bauteile vor mechanischem Verschleiß zu schützen. Hauptsächlich die Sprödigkeit solcher Diamantschichten und das daraus resultierende, katastrophale Versagen verhindern aus technischer Sicht einen weitverbreiteten Einsatz in der Praxis. Die vorliegende Arbeit hat deshalb die Entwicklung gleichzeitig hochfester und schadenstoleranter Diamantlaminate zum Ziel. Dies soll durch das Einbringen weicher metallischer Zwischenschichten in mittels chemischer Gasphasenabscheidung hergestellten Diamant erreicht werden. Zunächst gilt es, die generelle Machbarkeit des Vorhabens unter Beweis zu stellen. Dazu wird ein Laminat durch Verlöten freistehender Diamantfolien mithilfe einer Silber-Titan- Legierung hergestellt und im Dreipunktbiegetest untersucht. Verglichen mit reinem Diamantmaterial zeigt es eine mehr als doppelt so hohe Brucharbeit bei ca. 75% der Festigkeit, wodurch das Proof of Principle erbracht ist. Die Interpretation der Messdaten ist auf ein theoretisches Modell gestützt, das von Yang Xuan am Partnerinstitut der Technischen Universität Darmstadt erarbeitet wurde. Es erlaubt Vorhersagen über das Bruchverhalten in biegebeanspruchten Mehrschichtsystemen und lässt damit die Zuordnung des Versagens einzelner oder mehrerer Diamantlagen zu im Experiment detektierten Lastabfällen zu. Frühe Delaminationen können so als Ursache für Schwankungen im Laminatverhalten identifiziert werden, was in-situ-Tests bestätigen. Zur Herstellung von Laminaten mit geringeren Lagendicken wird ein rein beschichtungstechnischer, Lage-um-Lage-Aufbau durch aufeinanderfolgende Diamant- und Metallabscheidungen entwickelt. Die zur Metallisierung verwendeten PVD-Verfahren ergeben unterschiedliche Schichtqualitäten und Haftfestigkeiten, was das mechanische Verhalten der Laminate beeinflusst. Eine Laserstrukturierung der Diamantschichten direkt nach deren Abscheidung ermöglicht es, übereinanderliegende Lagen aus aneinandergereihten Diamantplättchen zu realisieren und so den strukturellen Aufbau von Perlmutt zu imitieren. Insgesamt gelingt es, Materialien auf Basis von CVD-Diamant herzustellen, die eine Kombination aus hohen Festigkeiten und hohen Bruchzähheiten aufweisen. Die erreichten Festigkeitswerte übertreffen die für andere keramische Laminate berichteten Literaturwerte um ein Vielfaches. Das aus Diamantfolien hergestellte Laminat stellt im angestellten Vergleich das zugleich festeste und zähste keramische Laminat dar. Beschichtungsbasierte Laminate zeigen nicht das gewünschte stufenweise Versagen, weswegen deren Zähheiten unter den Erwartungen liegen.
description: Diamond as a dense, adherent coating offers an excellent opportunity to protect components from mechanical wear. Mainly the brittleness of such diamond coatings and the resulting catastrophic failure prevent from a technical point of view a widespread use in practice. Therefore, the present work aims at the development of both high strength and damage tolerant diamond laminates. This is to be achieved by introducing soft metallic interlayers into diamond produced by chemical vapor deposition. The first task is to prove the general feasibility of the project. To do so, a laminate is produced by soldering free-standing diamond foils with the aid of a silver-titanium alloy and examined in a three-point bending test. Compared with pure diamond material, it shows more than twice the work of fracture at about 75% of the strength, thus providing proof of principle. The interpretation of the measured data is supported by a theoretical model developed by Yang Xuan at the partner institute of the Technical University of Darmstadt. It allows predictions about the fracture behavior in multilayer systems subjected to bending stress and thus permits the assignment of the failure of individual or several diamond layers to specific load drops detected in the experiment. Early delaminations can be identified as the cause of variations in laminate behavior, which is confirmed by in-situ tests. To produce laminates with thinner layers, a purely coating-based, layer-by-layer buildup by successive diamond and metal depositions is developed. The PVD processes used for metallization result in different layer qualities and adhesion strengths, which affects the mechanical behavior of the laminates. Laser structuring of the diamond layers directly after their deposition allows superimposed layers of diamond platelets to be realized, thus imitating the structural composition of mother-of-pearl. It is possible to produce materials based on CVD diamond that have a combination of high strength and high fracture toughness. The strength values achieved exceed those reported in literature for other ceramic laminates many times over. The diamond foil laminate is both the strongest and the toughest ceramic laminate in the comparison conducted. Coatingbased laminates do not show the desired stepwise failure, therefore their toughness is below expectations.