Metallische Folien werden in vielen modernen Anwendungen eingesetzt, z. B. in Batterien, Leiterplatten, Solarzellen, Verpackungen und in der Luft- und Raumfahrzeugen als „multifunktionale Kompositmaterialien“. Solche Verbunde ermöglichen den Einbau von Mess- und Kommunikationstechnik in die Außenhülle von Flugzeugen und erlauben dadurch nicht nur aerodynamisches Design, sondern auch Gewichtseinsparungen. Bei all diesen Anwendungen sind die Kupferfolien und -filme einer Vielzahl von (thermo-)mechanischer Belastungen ausgesetzt, von zyklischer Zug-Druck-Belastung im Inneren eines Flugzeugrumpfes über Vibrationen in (Elektro-)Automobilen bis hin zu thermischen Belastungen in Leiterplatten. Um die Sicherheit dieser Anwendungen zu gewährleisten und um ihre Lebensdauer zu erhöhen, müssen die (zyklischen) Materialeigenschaften bestimmt werden. Diese Daten sind notwendig, um nachhaltigere (Mikro-) Elektronik herstellen zu können, die benötigt wird, um die die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts wie die Klimakrise oder den enormen Ressourcenverbrauch zu bewältigen. Numerische Modelle der Materialeigenschaften sind hierfür erforderlich, damit nachhaltigere Designprozesse ermöglicht werden können. Um all dies zu erreichen, wurden in dieser Arbeit daher gängige Werkstoffprüfmethoden weiterentwickelt.
Die Prüfung von Folien ist schwierig, da sie in zwei Dimensionen makroskopisch und in der dritten Dimension mikroskopisch sind. Bei Zugversuchen an Folien treten Effekte wie das sogenannte „Curtaining“ auf, welche die Messungen beeinflussen können. Der E-Modul von metallischen Folien wurden daher mit einem neu entwickelten elastisch-zyklischen Versuch unter Verwendung einer Standardzugprüfvorrichtung und optischer Messtechnik bestimmt. Eine weitere Überprüfung der Methode erfolgte durch mehrere zusätzliche Messungen und Materialcharakterisierungen.
Der E-Modul von metallischen Folien kann auch mittels Nanoindentation bestimmt werden. In solchen Versuchen wird ein sehr kleiner und spitzer Eindringkörper verwendet, um in die Probe einzudringen. Dieser Vorgang ist anfällig für Verschleiß. Standardmäßig wird zur Kalibrierung der Eindrinkörpergeometrie ein inverses Kalibrierungsverfahren verwendet. Zum ersten Mal wurde das Verschleißverhalten solcher Eindringkörper mithilfe von erklärbarer künstlicher Intelligenz während der Versuche bestimmt. Experimentell wurde bewiesen, dass solche Eindringkörper über die Dauer der Lebenszeit nicht nur stumpfer, sondern unter den richtigen Umständen auch wieder spitzer werden können. Zukünftig wird dies zu einer präziseren Materialcharakterisierung führen.
Präzise Charakterisierung wird dringend benötigt, um beispielsweise die elastischen Eigenschaften von komplexen laminierten Proben extrahieren zu können. Laminierte Proben, ähnlich zu komplexen Leiterplatten, die aus einer Vielzahl von Kupfer- und faserverstärkten Polymerschichten bestehen, wurden in dieser Arbeit untersucht. Numerische Materialmodelle wurden auf der Grundlage kostengünstiger experimenteller Daten in Kombination mit Nanoindentation und Finite-Elemente-Simulationen auf physikalisch sinnvolle Weise kalibriert. Dies gewährleistet eine einfache Implementierung in verschiedenen Forschungseinrichtungen und in der Industrie. Forschung in diese Richtung ist dringend notwendig, da das (zyklischen) Werkstoffverhalten von Folien, Filmen, Drähten und Blechen von der Anzahl der Körner über die kleinste Probendimension (Dicke oder Durchmesser) abhängt. Ermüdungsversuche zeigten, dass die Kupferfolien der schwächste Teil des untersuchten komplexen Verbunds waren und zum Versagen der Verbundwerkstoffe führten. Die laminierten Verbunde wurden mit einer Vielzahl unterschiedlicher Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie, Computertomografie und Synchrotron Spannungsmessungen charakterisiert. Die Kombination dieser Daten war nötig, um zu beweisen, dass die untersuchten Proben und die kostengünstige Implementierung der Modellkalibrierung optimale Ergebnisse lieferten. Es konnte dadurch beispielsweise gezeigt werden, dass die deviatorischen Spannungskomponenten der verschiedenen Kupferschichten in einem akzeptablen Bereich für die numerische Modellkalibrierung lagen. Die Kombination dieser Modelle mit den experimentellen Ermüdungsdaten führte schließlich zur Kalibrierung eines präzisen Modells zur Lebensdauerbestimmung von Kupferfolien. Numerischen Modelle und die Bestimmung der Lebensdauer von Folien ermöglichen zukünftiges nachhaltigeres Design mikroelektronischer Anwendungen.
Zusammenfassend zeigt die Dissertation, dass die Messung mechanischer Eigenschaften von metallischen Folien und Verbundwerkstoffen eine komplexe Aufgabe ist, die eine Kombination aus experimentellen Methoden, numerischen Simulationen und datengetriebenen Methoden erfordert. Die vorgestellten Methoden und Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Verbesserung von industriellen Prozessen.