Eigenschaften

Diamantharte Schichtsysteme

Tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten, ta-C, bestehen aus sp³-hybridisierten Bindungen, weshalb sie den Diamantschichten gleichzusetzen sind. Die Schichtsysteme der „Atherma-Funktionsoberflächen“ stellen eine wesentliche Weiterentwicklung der bisherigen „Diamond Like Carbon (DLC)“-Beschichtungen dar. Sie sind durch komplexe, variabel modifizierbare Oberflächenschichten aus amorphem Kohlenstoff in Kombination mit optimal abgestimmten Subschichten auf einem definierten Substrat charakterisiert. Aus einem präzise aufeinander abgestimmten Schichtsystemaufbau mit extrem hohen Bindungsenergien resultiert somit ein Komplexsystem mit herausragenden Oberflächeneigenschaften. Abgesehen von ihren nachstehend genannten herausragenden physikalischen Eigenschaften, zeichnen sich „Atherma-Funktionsoberflächen“ durch sehr gute Biokompatibilität, Metallionen-Barrierewirkung und Mikrokorrosions-Schutz aus.

Härte

Die Oberfläche aus tetraedrisch amorphen Kohlenstoffschichten der „Atherma-Funktionoberflächen“ besteht überwiegend aus sp³-hybridisierten Bindungen mit hohen Bindungskräften in alle Raumrichtungen, weshalb sie Diamantschichten gleichzusetzen sind. Der Schichtbildungsprozess beim hier zugrunde liegenden PLD-Verfahren findet deshalb im Hochvakuum statt. Aus dem hohen sp³-Bindungsanteil resultiert die extreme Härte der Schicht von ca. 4000 bis 5000 HV (Härte Vickers) oder nach dem Nano-Härte- Messverfahren von ca. 60 bis 70 GPa (Giga-Pascal). Sie ist somit 5-mal so hart wie eine Zirkoniumoxidkeramik. Hingegen sind wasserstoffhaltige DLC-Schichten mit einem deutlich niedrigeren sp³-Anteil vergleichsweise sehr weich. Mittels mittels „Plasma-DVC-“ oder „Sputter“-Technologien lassen sich beispielsweise nur Messhärten von ca. 15-25 GPa erzielen. Diese entsprechen ungefähr der Härte von Hartmetallen wie Wolframcarbid.

Abrieb und Verschleiß

Durch Abrieb freigesetzte Verschleißpartikel bei Gelenkimplantaten sind immer noch hauptverantwortlich für revisionsbedürftige aseptische Komplikationen. Die Freisetzung betrifft in erste Linie Polyethylenteilchen, aber auch freigesetzte Metallpartikel und Metallionen, die wiederum erhebliche immunologische Vorgänge und auch direkte Zellschädigung in den verschiedenen Körpergeweben hervorrufen. Moderne Materialien wie Keramiken der 4. Generation und Polyethylenvarianten der 4. Generation haben diese Problematik bereits deutlich reduziert, aber noch immer nicht zufriedenstellend. Bei Simulatortests konnte selbst bei modernsten Keramiken trotz hervorragender Werte noch immer ein 10-fach erhöhter Abrieb gegenüber nanokristallinen Diamantoberflächen bei 1 Million Bewegungszyklen unter realitätsnahen Testbedingungen nachgewiesen werden. Auch bei industriellen Anwendungen spielen tribologische Aspekte eine große Rolle. Insbesondere unter Trockenlaufbedingungen zeichnen sich „Atherma-Funktionsoberflächen“ durch extrem geringe Reibungskoeffizienten aus. Tribologische Untersuchungen (Pin-on-disc-Tests) konnten hier Reibekoeffizienten von bis zu µ = 0,03 aufzeigen.

Haftfestigkeit / Ritzprüfung

Der Revetest® gilt als etabliertes zuverlässiges Ritzprüfungsverfahren zur Charakterisierung der Haftfestigkeit dünner Schichten mit einer Schichtdicke von mehreren Mikrometern auf harten Substraten. Hierbei wird ein Diamant (Rockwell-Spitze, 200 µm Radius) mit definierter Last auf die zu messende Schichtprobe gedrückt. Dann wird der Diamant gegen die Schicht bewegt und die Last wird dabei kontinuierlich erhöht. Bei zunehmendem Druck kann die Schicht einreißen, im weiteren Verlauf delaminieren, also abplatzen. Letzteres wird über die sog. kritische Last Lc definiert. Der Test erlaubt eine Aussage zur Haftfestigkeit einer Schicht auf dem Substrat, ist aber bei sehr dünnen DLC-Schichten nur eingeschränkt aussagekräftig, da die Ergebnisse umso stärker von den mechanischen Eigenschaften des zugrunde liegenden Substrats beeinflusst werden. So kann ein Schichtversagen innerhalb der eigentlichen Schicht durch Überschreiten der Plastizitätsgrenze oder aber durch Überschreitung der Fließgrenze des Substrats zustande kommen. Bei diesen Szenarien ist eine Beurteilung der zu Grunde liegenden Haftfestigkeit somit nicht möglich. Bei sehr dünnen DLC-Schichten auf Stahl werden üblicherweise Lc -Werte zwischen 35 N und 40 N gemessen. Diese Messwerte gelten als Grenzbereich der erreichbaren Haftfestigkeit von derartigen Schichten auf Stahl. Testversuche bei „Atherma-Funktionsoberflächen“ auf Hartmetall konnten diese Werte nicht nur übertreffen, sondern auch sehr gute Ergebnisse auf deutlich weicheren Substraten wie CoCrMo-Legierungen erzielen.

Amorpher Kohlenstoff (DLC / ta-C)

Amorphe Kohlenstoffschichten sind auch unter den Bezeichnungen DLC (Diamond-Like-Carbon) oder diamantähnlicher Kohlenstoff bekannt und werden nach VDI 2840 näher klassifiziert. Tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C) bestehen überwiegend aus sp³-hybridisierten Bindungen, weshalb sie den Diamantschichten gleichzusetzen sind. Die Oberflächenschicht der „Atherma-Funktionsoberflächen“  zeichnet sich durch annähernde Wasserstofffreiheit aus. Bei geeignet gewählten Parametern erhält man einen hohen Anteil an sp³-hybridisierten diamantartigen Bindungen von ca. 80- 90%. Es gibt nur sehr wenige Verfahren, die zur Herstellung derartiger Schichten geeignet sind wie beispielsweise das PLD-Verfahren und das ARC-Vakuum-Pumpen Verdampfungs-Verfahren (Lichtbogenverdampfung). Die beiden entscheidenden Parameter, sp³-Gehalt und Wasserstoffgehalt, bestimmen im Wesentlichen die mechanischen Eigenschaften der Schichten, insbesondere deren extremen Härte.

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