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Forschungsgebiete der Gruppe Hochleistungsschutzschichten

Die Mitarbeiter der Gruppe Hochleistungsschutzschichten befassen sich mit der Entwicklung, Herstellung, Charakterisierung und Modellierung innovativer Dünnschichtwerkstoffe für ingenieurtechnische Anwendungen, beispielsweise für die Fertigungstechnik, für die Automobil- und Luftfahrtindustrie, für die Verfahrenstechnik, für die Energietechnik oder für die Medizintechnik. Diese neuartigen nanoskaligen Dünnschichtwerkstoffe weisen definierte multifunktionale Eigenschaftsprofile auf. Sie sprechen gesellschaftlich und volkswirtschaftlich relevante Themen wie umweltfreundliche Technologien, Energieeinsparung in industriellen Prozessen und Verschleißschutz an. Die Werkstoffentwicklung basiert auf fundamentalen Prinzipien der Materialauswahl aus den Gruppen der metallisch, kovalent oder ionar gebundenen Hartstoffe, auf der Anwendung spezifischer Konzepte für das Design der Schichtwerkstoffe auf atomarer Ebene, und auf der modellhaften Beschreibung der Stoffsysteme, der Kinetik der Gasphasenabscheidung und der Schichtwachstumsprozesse. Schwerpunkt der Forschungsarbeiten ist das wissenschaftliche Verständnis der Zusammenhänge zwischen Wachstum, Konstitution und Mikrostruktur sowie Eigenschaften und Verhalten der neuen Schichtverbunde. Neben der klassischen Werkstoffsynthese im Labormaßstab werden an industriellen Beschichtungsanlagen auch komplexe Beschichtungsprozesse zum Aufskalieren und zur Abscheidung solcher Werkstoffe auf Werkzeuge und dreidimensional geformte Bauteile und Komponenten entwickelt. Hierzu werden Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (DC und HF Magnetron-Sputtern, Lichtbogenverdampfung) ebenso wie neuartige, plasmagestützte PVD-CVD-Hybridprozesse verwendet. Die Mitarbeiter der Gruppe entwickeln dafür auch neue Technologien, wie zum Beispiel eine innovative Plasmastrahlquelle für eine Hochratenabscheidung kohlenstoffbasierter Kompositwerkstoffe.

Prinzip der Versuchsanordnung zur experimentellen Realisierung der kombinatorischen Materialentwicklung mittels Magnetron-Sputtern

Segmentiertes Sputter-Target

 

     
Transmissionselektronenmikroskopie an TiC/a-C Nanokompositschichten mit hohem TiC-Phasenanteil      Transmissionselektronenmikroskopie an TiC/a-C Nanokompositschichten mit hohem Anteil der amorphen Kohlenstoffphase

 

Aufskalieren der Beschichtungsprozesse für TiC/a-C Nanokompositschichten: Sputter-Targets verschiedener Zusammensetzungen für industrielle PVD-Anlagen (Hersteller: Plansee Composite Materials GmbH)

Kohlenstoffbasierte nanostrukturierte Kompositschichten sind ein aktuelles Beispiel für die Entwicklung einer neuen Generation verschleißfester, reibungsmindernder Schichten. Sie bestehen aus einer oder mehreren nanokristallinen Hartstoffphasen, die in eine Matrix aus amorphem Kohlenstoff (a-C oder a-C:X mit X = N, O, H, Si) eingelagert sind. Die Mikrostruktur und das Design dieser Materialien kann in einem weiten Bereich über die Volumenanteile der kristallinen und amorphen Phasen modifiziert werden. Diese Materialien bieten die Möglichkeit, mechanische Eigenschaften, Härte und tribologisches Verhalten in verschiedenen Tribo-Systemen über weite Bereiche optimal einzustellen und somit Werkstoffe für klassische Anwendungen im Maschinenbau gezielt herzustellen. Für TiC/a-C Schichten wurde gezeigt, dass diese Materialien aufgrund ihrer herausragenden Verschleiß- und Reibeigenschaften in speziellen Anwendungen die Verwendung von Schmierstoffen signifikant reduzieren können. Damit sind diese Schichten für umweltfreundliche Technologien prädestiniert. 

Ein neues Forschungsthema ist der Entwicklung neuartiger Schichtwerkstoffe aus Übergangsmetalloxiden und Übergangsmetalloxinitriden gewidmet. Typischerweise sind keramische Schichten wie Aluminiumoxid in Korundstruktur relativ spröde und mittels PVD-Verfahren nur schwer in kristalliner Form herzustellen. Auf der Basis kombinatorischer Ansätze zur Entwicklung neuer Mischoxide konnten Al-Cr-O Schichten in Korundstruktur bei moderaten Prozesstemperaturen von 500°C erfolgreich abgeschieden werden. Diese Werkstoffe weisen Eigenschaften ähnlich denen des reinen Korund auf, bei einer deutlich reduzierten Neigung zur Rissbildung unter mechanischer Belastung. Ein weiterer Ansatz, die Duktilität keramischer Schichtwerkstoffe zu verbessern, verfolgt den Einbau geringer Mengen von Stickstoff in solchen PVD-Schichten, um deren Bindungsstrukturen lokal zu modifizieren. Die Synthese derartig neuer einphasiger nanokristalliner Aluminium-Chrom-Oxinitridschichten in Korundstruktur wurde erfolgreich demonstriert.

     
Transmissionselektronenmikroskopie an einer (Al1-x,Crx)2O3-Schicht in Korundstruktur (reaktives Magnetron-Sputtern, 500°C): Beugungsbild und Zuordnung der Netzebenen   Transmissionselektronenmikroskopie an einer in Korundstruktur (reaktives Magnetron-Sputtern, 500°C): Dunkelfeldaufnahme und Beugungsbild. Dichte, kolumnare Struktur, Säulendurchmesser ca. 35 nm Vorschlag eines Strukturmodells für
(Al1-x,Crx)2+δ(O1-y,Ny)3-Schichten in Korundstruktur: Stickstoffionen ersetzen partiell Sauerstoffionenplätze 

 

Superharte Dünnschichtmaterialien sind für viele technische Anwendungen grundsätzlich von großem Interesse. Die Mitarbeiter der Gruppe erarbeiten hierzu innovative Prozesse im Labor- und industriellen Maßstab zur Synthese von Schichtmaterialien wie harte amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C, DLC), kubisches Bornitrid (c-BN:O), Borcarbid (B4C) oder neuartige harte Boride (TiB2 basierte Schichten zum Beispiel im Stoffsystem Ti-B-C-N). Mit Hilfe der kathodischen Bogenverdampfung können amorphe Kohlenstoffschichten mit einer Härte bis zu 60 GPa und einer Dicke bis zu 10 Mikrometern hergestellt werden. Schichten aus kubischem Bornitrid mit einphasigen Gefüge und einer Dicke bis zu 2 Mikrometern können mit Hilfe eines neuen Hybridbeschichtungsprozesses erfolgreich synthetisiert werden.

     
 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Querschnittsfläche einer superharten amorphen Kohlenstoffschicht auf Silizium (D.C. Magnetron-Sputtern, Dicke 10 μm, Härte 50 GPa)  Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Querschnittsfläche einer superharten amorphen Kohlenstoffschicht auf Hartmetall (kathodische Lichtbogen-verdampfung, Dicke 1 μm, Härte 58 GPa)  

 

 

 

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer 2 µm dicken, sauerstoffhaltigen, superharten, kubischen Bornitridschicht mit Nukleations- und Haftvermittlerlage auf Silizium-Substrat

Abhängigkeit des Gehaltes an kubischem Bornitrid (c-BN) und der Eigenspannung von der Substratvorspannung magnetron-gesputterter Bornitrid-Schichten. Die Ionenenergie ergibt sich aus dem Betrag der Substratvorspannung und dem Plasmapotential. Durch den Einbau von 4.6 At.-% in die c-BN-Schicht und durch eine Wärmenachbehandlung lassen sich die Eigenspannungen drastisch reduzieren.

 

 

 

 

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Querschnittsfläche einer 20-lagigen TiN/ZrN Viellagenschicht (dunkler Kontrast: TiN, heller Kontrast: ZrN)

Prinzip einer Hochleistungsplasmaquelle mit doppelwandigem, wassergekühlten, parabolischen Reaktor mit der Mikrowellenantenne in dessen Brennpunkt. Damit lassen sich Aufwachsraten von amorphen Kohlenstoffschichten (a-C:H) von bis zu 36 µm/h erzielen.