Sascha Zügner

• Untersuchungen zum elastisch-plastischen Verhalten von Kristalloberflächen mittels Kraft-Eindringtiefen-Verfahren Die ‘registrierende Härteprüfung‘ nach dem Kraft-Eindringtiefen-Verfahren hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen, um mechanische Materialparameter vor allem dünner Filme und beschichteter Oberflächen im Nanometermaßstab zu messen. Das kontrollierte Eindringen einer Meßspitze in eine Oberfläche mit definierter Kraft bei gleichzeitiger Registrierung der zurückgelegten Wegstrecke ermöglicht die AufzeichnungUntersuchungen zum elastisch-plastischen Verhalten von Kristalloberflächen mittels Kraft-Eindringtiefen-Verfahren Die ‘registrierende Härteprüfung‘ nach dem Kraft-Eindringtiefen-Verfahren hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen, um mechanische Materialparameter vor allem dünner Filme und beschichteter Oberflächen im Nanometermaßstab zu messen. Das kontrollierte Eindringen einer Meßspitze in eine Oberfläche mit definierter Kraft bei gleichzeitiger Registrierung der zurückgelegten Wegstrecke ermöglicht die Aufzeichnung sogenannter Kraft-Weg-Kurven. Deren Auswertung liefert quantitative Daten der mechanischen Materialeigenschaften wie Härte (H), Elastizitätsmodul (E), Bruchfestigkeit oder Kriechanteil. Im Laufe eines pharmazeutischen Herstellungsprozesses müssen fast alle eingesetzten Wirk- und Hilfsstoffe zerkleinert werden. Die dabei geforderten Feinheitsgrade lassen sich oft nur durch den Einsatz effizienter Maschinen, wie zum Beispiel der Luftstrahlmühlen erreichen. Dieser energie- und kostenaufwendige Zerkleinerungsprozeß ist bis heute noch nicht vollständig kontrollierbar. Das makroskopische Verhalten von partikulären Schüttgütern, wie etwa deren Bruchfestigkeit, benötigte Bruchkraft oder -energie, wird weitgehend von den elastisch-plastischen Materialeigenschaften mitbestimmt. Demnach sollten Härte und Elastizität einen entscheidenden Einfluß darauf haben, ob und in welchem Ausmaß ein Partikelkollektiv zerkleinert wird. Die Eindruckexperimente wurden an vier verschiedenen, handelsüblichen, kristallinen Schüttgütern durchgeführt (CaCO3, Natriumascorbat, NaCl, Saccharose). Dabei konnte gezeigt werden, daß sich die einzelnen Proben z.T. erheblich in ihren mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Alle untersuchten Materialien sind durch ausgeprägtes elastoplastisches Verhalten charakterisiert. Während der elastische Anteil an der Gesamtverformung für Calcit, Natriumascorbat und Saccharose etwa 30% beträgt, zeigt Natriumchlorid nahezu vollständig plastische Deformation. Die elastische Rückfederung in der Entlastungsphase liegt für Kochsalz jeweils unter 10%. Ebenso schwanken die gemessenen Härtewerte der pharmazeutischen Schüttgüter in einem Bereich von 0,4GPa und 3,0GPa. Dabei erweist sich das Calciumcarbonat als härtestes und sehr sprödes Material (H»3,0GPa und E»85GPa). Im Gegensatz dazu ist das Natriumchlorid sehr weich und leicht plastisch verformbar (H»0,5GPa und E»42GPa). Weiterhin kann der bei einer Vielzahl von kristallinen Materialien nachgewiesene ‘indentation size effect’, also die Abhängigkeit der Härte von der Eindruckgröße, bestätigt werden. Bei geringen Eindringtiefen ist die Härte signifikant erhöht, wogegen sie mit zunehmender Indenttiefe auf konstante Werte absinkt. Die Energiezufuhr in Form einer äußeren mechanischen Beanspruchung beeinflußt ebenfalls die Härte. Art und Ausmaß der Beanspruchung spielen dabei die entscheidende Rolle. Partikel, welche in einer Luftstrahlmühle zerkleinert wurden, zeigen im Vergleich zu unbeanspruchten Teilchen signifikant höhere Werte. Der Grund für diesen Härtezuwachs liegt in der Kaltverfestigung des Materials. Die hohe Prallenergie und in deren Folge die Veränderung der partikulären Mikrostruktur führen vor allem bei kleinen, stark beanspruchten Partikeln zu einer gesteigerten Härte. Die elastisch-plastischen Parameter sind eng mit der Kristallstruktur und der Orientierung der Atome im Kristallgitter verknüpft. Jedoch kann eine Anisotropie bezüglich der mechanischen Kennwerte für die kristallinen Materialien nicht bestätigt werden. Eindruckexperimente unter wechselnden Rotationswinkeln ergaben keine statistisch unterscheidbaren Meßwerte.…
• Determination of elastic-plastic properties of individual particles using nanoindentation technique In the last decade the nanoindentation technique has faced more and more importance to characterise mechanical properties of solid surfaces and surface thin films. By continuously recording the movement of a stylus impressed into the surface under increasing load force-displacement curves can be derived. They provide quantitative data such as hardness (H), young’s modulus of elasticity (E), fracture toughness or creep, important parameters thatDetermination of elastic-plastic properties of individual particles using nanoindentation technique In the last decade the nanoindentation technique has faced more and more importance to characterise mechanical properties of solid surfaces and surface thin films. By continuously recording the movement of a stylus impressed into the surface under increasing load force-displacement curves can be derived. They provide quantitative data such as hardness (H), young’s modulus of elasticity (E), fracture toughness or creep, important parameters that determine the mechanical behaviour of the material. On the basis of the common theory of comminution it is assumed that the elastic-plastic properties of single crystals may affect the size reduction process of bulk materials during jet milling. Breaking resistance, work of fraction and maximum strain for example are strongly dependent of near-surface parameters like hardness and young’s modulus. Determining these crystal characteristics and comparing them with derived jet mill parameters allows to gain new insight into the size reduction process. Our experiments were performed on naturally grown, crystalline solids, namely calcite, sodium ascorbate, sucrose and sodium chloride. Load-displacement-data as well as the AFM images indicate that all tested pharmaceutical bulk products exhibit distinct elastic-plastic deformation of their stressed areas. While with calcite, ascorbate and sucrose a large amount of elastic recovery (30%) can be observed during final unloading, sodium chloride shows a predominantly plastic and almost no elastic response. Hardness values of the four tested materials cover a wide range from 0.4GPa to 3.0GPa. Calcite proves to be the hardest and most brittle substance with H»3.0GPa and E»85GPa. As a marked contrast the very plastic, ductile sodium chloride shows a much lower plastic hardness of about 0.4-0.6 GPa and elastic moduli of 40-45GPa. Nanohardness varies with indentation depths. At shallow penetration depths of about 30nm single crystals seem to be substantially harder than at larger depths where hardness approximates to constant values. This so called indentation size effect (ISE), previously observed for both metals and ceramics, could also be affirmed for soft, strain-hardenable crystalline solids. External stresses brought into the material e.g. by jet-milling seem to strain harden the surface. The type and extend of an external constraint are supposed to have major influence on the elastic-plastic properties. Particles which had to be ground during the production process exhibit significantly enhanced hardness values afterwards. We dedicate this rise in hardness to work hardening following high impact loads during comminution. Especially small particles have faced higher levels of stress during grinding and therefore they are extensively strain hardened. Calcite crystals are intrinsically anisotropic. Hence one would expect that the hardness varies with respect to indenter rotation. Despite of its rhombohedral structure hardness and modulus anisotropy for CaCO3 could not be observed. In fact the values for H and E measured at indenter rotation angles of 0°, 30°and 45° are identical within the relatively wide limits of experimental uncertainty.…