Numerische und experimentelle Untersuchung von diffusionsinduzierter Alterung in Bauteilen aus Mehrstoffmischungen

Projektdetails

In modernen technischen Anwendungen kommen verschiedene Mehrphasenmischungen zum Einsatz, um anspruchsvolle mechanische, chemische und elektrische Anforderungen zu erfüllen. Ihr Anwendungsspektrum reicht vom Leichtbau von Automobilkomponenten über Verbindungsmaterialien in der Mikroelektronik bis hin zu Schutzbeschichtungen und fortschrittlichen medizinischen Anwendungen. Um die strukturellen Eigenschaften des makroskopischen Materials zu verstehen, ist es daher wichtig, die mikrostrukturelle Entwicklung dieser Mischungen zu erfassen.
Bis vor kurzem waren Materialmodellierung und Untersuchungen zur Mikrostruktur hauptsächlich Gegenstand empirischer Wissenschaften. Systematische experimentelle Beobachtungen lieferten den Schlüssel zur Ableitung der konstitutiven und strukturellen Eigenschaften der betrachteten Materialien. Inzwischen sind jedoch mathematische Simulationen von Materialien auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen von großem wissenschaftlichem Interesse. Das Hauptziel besteht nun darin, ein Modell zu entwickeln und numerische Simulationen durchzuführen, um ein Verständnis der physikalischen Prozesse innerhalb des Materials zu erlangen.
Das übergeordnete Ziel des betreuten Forschungsprojekts ist die Bereitstellung eines Simulationswerkzeugs zur Untersuchung und Analyse der diffusionsgesteuerten Alterung in technischen Mehrkomponentenstrukturen; ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf dem langfristigen Phasenwachstum. Die Simulationen basieren auf einer NURBS-basierten Finite-Elemente-Analyse. Der wesentliche Unterschied zu bestehenden numerischen Werkzeugen besteht in der Fähigkeit des Programms, realistische Geometrien, Zusammensetzungen und Belastungsbedingungen von festen Gemischen zu berücksichtigen.

Als Demonstrationsobjekte dienen hier binäre und ternäre Hartlötlegierungen, insbesondere Ag-Cu und Ag-Cu-Zn, die thermomechanischen und elektrothermischen Belastungen ausgesetzt werden. Solche Legierungen werden typischerweise zum Verbinden metallischer Oberflächen im Hochtemperaturbereich eingesetzt, z. B. in Steuergeräten für Kraftfahrzeuge und bei Solarmodulen. Legierungen aus Kupfer mit Zink oder Silber sind die gängigsten Hartlötlegierungen. Silber sorgt für mechanische Festigkeit, verringert jedoch die Duktilität bei niedrigen Temperaturen. Zink senkt den Schmelzpunkt und ist kostengünstig, jedoch sehr korrosionsanfällig. Es ist bekannt, dass sich diese Lötlegierungen im Betrieb in metallurgisch definierte Phasen zersetzen. Die entstandene Mikrostruktur hat einen erheblichen Einfluss auf sehr kleine Bauteile wie Verbindungen und Lötperlen in mikroelektronischen Gehäusen. Mit dem anhaltenden Streben nach Verkleinerung und höherer Funktionalität von Bauteilen steigt die Nachfrage nach feineren Perlengrößen; mittlerweile werden Lötperlen mit einem Durchmesser von weniger als 50 Mikrometern entwickelt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Projekt zu einem Berechnungswerkzeug führen wird, das die Simulation vollständiger Mehrkomponentenstrukturen wie Lötkugeln unter thermomechanischer Belastung ermöglicht. Das numerische Modell, das anhand experimentell ermittelter Alterungsergebnisse validiert und angepasst wird, wird eine effiziente Vorhersage der spinodalen Zersetzung und der Phasenvergröberung in realen Anwendungen ermöglichen. Darüber hinaus wird die Beherrschung eines wettbewerbsfähigen Simulationswerkzeugs für die diffusionsinduzierte Alterung von Verbundbauteilen die Einbeziehung zusätzlicher elektrischer, chemischer und mechanischer Felder sowie von Oberflächenphänomenen (Korrosion) in zukünftige Forschungsarbeiten ermöglichen.

Gruppe: 

• M.Sc. Stefan Schuß
• Prof. Dr. Christian Hesch 
• Prof. Dr. Kerstin Weinberg