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- Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Physik (13) (entfernen)
To render the surface of a material capable of withstanding mechanical and electrochemical loads, and to perform well in service, the deposition of a thin film or coating is a solution. In this project, such a thin film deposition is carried out. The coating material chosen is titanium nitride (TiN) which is a ceramic material known to possess a high hardness (>10 GPa) as well as good corrosion resistance. The method of deposition selected is high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) that results in coatings with high quality and enhanced properties. Sputtering is a physical process that represents the removal or dislodgment of surface atoms by energetic particle bombardment. The term magnetron indicates that a magnetic field is utilized to increase the efficiency of the sputtering process. In HiPIMS, a high power is applied in pulses of low duty cycles to a cathode that is sputtered and that consists of the coating material. As result of the high power, the ionization of the sputtered material takes place giving the possibility to control these species with electric and magnetic field allowing thereby the improvement and tuning of coating properties. However, the drawback of HiPIMS is a low deposition rate.
In this project, it is demonstrated first that it is possible to deposit TiN coating using HiPIMS with an optimized deposition rate, by varying the magnetic field strength. It was found that low magnetic field strength (here 22mT) results in a deposition rate similar to that of conventional magnetron sputtering in which the average power is applied continuously, called also direct current magnetron sputtering (dcMS). The high deposition rate at low magnetic field strength was attributed to a reduction in the back attraction probability of the sputtered species. The magnetic field strength did not show noticeable influence on the mechanical properties. The proposed explanation was that the considered peak current density interval 1.22-1.72 A∙cm-2 does not exhibit dramatic changes in the plasma dynamics.
In a second part, using the optimized deposition rate, the optimized chemical composition of TiN was determined. It was shown that the chemical composition of TiN does not significantly influence the corrosion performance but impacts considerably the mechanical properties. It was also shown that the corrosion resistance of the coatings deposited using HiPIMS was higher than that of the coatings deposited using dcMS.
The third study was the effect of annealing post deposition on the properties of TiN coating deposited using HiPIMS. The hardness of the coatings showed a maximum at 400°C reaching 24.8 GPa. Above 400°C however, a lowering of the hardness was measured and was due to the oxidation of TiN which led to the formation of TiN-TiO2 composites with lower mechanical properties.
The coating microscopic properties such as crystal orientation, residual stresses, average grain size were determined from X-ray diffraction data and the roughness was measured using atomic force microscopy. These properties were found to vary with the magnetic field strength, the chemical composition as well as the annealing temperature.
Warum stürzen wir beim Gehen? Dreidimensionale und komplexe
Bewegungsabläufe des menschlichen Ganges exakt zu
analysieren und somit offene Grundfragen der Kinesiologie zu
beantworten ist Kern dieser Arbeit. Die Bewegungswissenschaft
der Gerontologie beschränkt sich derzeit noch auf Modelle und
Methoden mit einfachen und eindimensionalen Bewegungsanalysen.
In einer umfangreichen Literaturrecherche wird der aktuelle
Stand der Technik an Hand der drei gängigsten Methoden zur
Bestimmung der Stabilität beim Gehen erfasst und bewertet.
Eine Bewertung der drei Methoden: Margin of Stability, Lokale
Stabilität und Orbitale Stabilität, erfolgt durch die Ermittlung
der Anwendbarkeit der einzelnen Methoden, um die Tendenz eines
Probanden zu bestimmen, sich von kleinen (natürlichen oder
künstlichen) Störungen des Gangs zu erholen. Auf Grundlage
dieser Bewertungen und das Abwägen der Vor - und Nachteile
der einzelnen Methoden, wurde eine neue Methode zur Beurteilung
der räumlichen-dynamischen Stabilität entwickelt, die sich
für die Analyse des linearen und nicht-linearen menschlichen
Gangs anwenden lässt. Als Methodische Grundlagen dienen
ein Motion-Capture-System, zur Erfassung der kinematischen
Bewegungen, und ein in der Gerontologie fest etablierte Mobilitätstest,
der sogenannte Timed Up and Go Test, zur Beurteilung
des Gleichgewichts und der Mobilität. Zusätzlich wurde eine
numerische Näherung der Marker-Anzahl des Motion-Capture-
Systems durchgeführt. Dabei wurde die Anzahl der Marker auf
ein Marker-Set minimiert, bei der die bestmögliche Korrelation
der Ergebnisse zum Full-Body-Marker-Set erzielt wird. Dies
dient zur Vereinfachung der Methode für zukünftige Anwendungen
bei klinischen oder wissenschaftlichen Fragestellungen. Die
neu entwickelte Methode bedarf einer Validierung, welche mit
Hilfe einer Probandenstudie durchgeführt wurde. Die Ergebnisse
der Probandenstudie werden präsentiert und Interpretationsmöglichkeiten
werden aufgezeigt. Neue relevante Variablen und
Momentbestimmungen besonderer Gangsituationen werden ausgewertet
und bieten Raum für neue Interpretationsansätze zur
Beurteilung des menschlichen Gangs.
Die neue Methode ist somit in der Lage die individuelle Entwicklungen
des Bewegungsablaufes im Alter und die Vermeidung
von Stürzen und einhergehenden Verletzungen aus einer erweiterten
und neuen Perspektive zu beurteilen. Insbesondere
können Richtungswechsel bei einem nicht-linearen Gang neu
betrachtet und beurteilt werden.
Die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellten biologisch abbaubaren Polymere Polymilchsäure (polylactic acid, PLA) und Polyhydroxybuttersäure (polyhydroxybutyrate, PHB) wurden im Rahmen dieser Arbeit mit hydrierten amorphen Kohlenstoffschichten (amorphous hydrogenated carbon, a-C:H) bei unterschiedlichen Winkeleinstellungen mit verschiedenen Dicken beschichtet. Ähnlich wie herkömmliche Polymere haben Biopolymere oft ungeeignete Oberflächeneigenschaften für industrielle Zwecke, z.B. eine geringe Härte. Für manche Anwendungen ist es daher notwendig und vorteilhaft, die Oberflächeneigenschaften von Biopolymeren unter Beibehaltung der Haupteigenschaften des Trägermaterials zu modifizieren. Eine geeignete Oberflächenmodifikation ist das Aufbringen von dünnen a-C:H Schichten. Ihre Eigenschaften hängen wesentlich vom sp²- und sp³-Hybridisierungsverhältnis der Kohlenstoffatome und dem Gehalt an Wasserstoffatomen ab. Das sp²/sp³-Verhältnis sollte in der vorliegenden Arbeit durch Variation der Beschichtungsgeometrie gesteuert werden. Da Beschichtungen bei 0°, direkt vor der Plasmaquelle, einen höheren Anteil an sp³ und indirekt (180°) beschichtete ein höheren Anteil an sp² aufweisen, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass es möglich ist, das sp²/sp³ -Verhältnis zu kontrollieren. Dazu werden die einzelnen Proben in den Winkeln 0, 30, 60, 90, 120, 150 und 180° vor der Plasmaquelle platziert und mit einer Dauer von 2.5, 5.0, 7.5 und 10.0 Minuten beschichtet. Für den Winkeln 0° ergaben sich die Schichtdicken von 25, 50, 75 und 100 nm. Die a-C:H Schichten wurden alle mit Radiofrequenzplasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung und Acetylen als C und H Quelle abgeschieden, nachdem sie 10 Minuten lang mit einem Sauerstoffplasma vorbehandelt worden waren. Nach dieser O₂-Behandlung und der a-C:H Abscheidung werden die Oberflächen mit makroskopischen und mikroskopischen Messmethoden untersucht und die Daten anschließend analysiert. Die Oberflächenmorphologie wird mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und der Rasterkraftmikroskopie erfasst. Auf diese Weise können auch Informationen über die Stabilität der Schicht und die Oberflächenrauhigkeit gesammelt werden. Mit Kontaktwinkelmessungen (contact angle, CA) wird nicht nur die Benetzbarkeit, sondern auch die Kontaktwinkelhysterese durch Auf- und Abpumpen des Tropfenvolumens bestimmt. Durch Messung des CA von verschiedenen Flüssigkeiten und deren Vergleich werden die freie Oberflächenenergie (surface free energy, SFE) und ihre polaren und dispersiven Bestandteile bestimmt. Die Veränderungen der Barriereeigenschaften werden durch Wasserdampftransmissionstests (water vapor transmission rate, WVTR) überprüft. Die chemische Analyse der Oberfläche erfolgt zum einen durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie mit spiegelnder Reflexion und zum anderen durch Synchrotron unterstützte Techniken wie der Nahkanten-Röntgenabsorptionsfeinstruktur und der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Bei der Analyse der Oberflächen nach der O₂ Behandlung, von der zunächst angenommen wurde, dass sie nur der Reinigung und Aktivierung der Oberfläche für die a-C:H Beschichtung dient, wurde festgestellt, dass die Veränderungen drastischer sind als ursprünglich angenommen. Wird PLA zum Beispiel bei 0° für 10 Minuten behandelt, steigt die Rauheit um das Fünffache. Mit zunehmendem Winkel verringert sich diese wieder, bis sie bei 180° wieder dem Ausgangswert entspricht. Bei PHB hingegen wird durchgehend ein ähnlicher Wert gemessen. Für beide Polymere lässt sich zeigen, dass der polare Anteil der SFE zunimmt. In der WVTR ist bei PLA eine Abnahme der Permeabilität und bei PHB ein Anstieg des Ausgangswertes zu beobachten. Die chemische Oberflächenanalyse zeigt, dass die O₂ Behandlung kaum Auswirkungen auf die Oberflächenbindungen hat. Insgesamt kann in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die O₂ Behandlung auf die Eigenschaften der Oberfläche auswirkt und nicht ausschließlich als Reinigungs- und Aktivierungsprozess betrachtet werden kann. Bei direkter a-C:H Beschichtung (bei 0°) ist sowohl bei PLA als auch bei PHB ein Schichtversagen bei 10.0 Minuten aufgrund von Eigenspannung zu beobachten. Dies ist bei PHB in geringerem Maße auch bei 30° zu erkennen. Die Durchlässigkeit der Polymere wird bei einer fünf minütigen Beschichtung um 47% reduziert und auch die Schicht bei 10.0 Minuten führt diesen Effekt trotz auftretender Risse weiter. Die Aufbringung von a-C:H Schichten zeigt für beide Polymertypen bei direkter Beschichtung eine Dominanz von sp³-Bindungen. Mit zunehmendem Winkel nimmt diese ab und bei indirekten Beschichtungen werden sp²-Bindungen dominierend. Dieses Ergebnis ist für alle Schichtdicken ähnlich, nur der Winkel, bei dem der Wechsel der dominanten Bindung stattfindet, ist unterschiedlich. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, die Oberflächeneigenschaften durch eine winkelabhängige Beschichtung zu steuern und somit das Verhältnis sp²/sp³ zu kontrollieren.