Nano- und materialtechnologische Lösungen für Oberflächen - Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung ...
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Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung www.hessen-nanotech.de Nano- und materialtechnologische Lösungen für Oberflächen
ano- und materialtechnologische N Lösungen für Oberflächen Band 27 der Schriftenreihe der Technologielinie Hessen-Nanotech
Impressum
Nano- und materialtechnologische Lösungen für Oberflächen
Band 27 der Schriftenreihe der Technologielinie Hessen-Nanotech
des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung
Erstellt von
VDI Technologiezentrum GmbH
Autoren: Dr. Wolfgang Luther, Dr. Heinz Eickenbusch, Dr. Gerd Bachmann
Innovationsbegleitung und Innovationsberatung
VDI-Platz 1
40468 Düsseldorf
Redaktion
Sebastian Hummel (Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr
und Landesentwicklung)
Dr. David Eckensberger (Hessen Trade & Invest GmbH, Hessen-Nanotech)
Herausgeber
Hessen Trade & Invest GmbH
Konradinerallee 9
65189 Wiesbaden
Telefon 0611 95017-8326
Telefax 0611 95017-8620
www.htai.de
Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die
Vollständigkeit der Angaben sowie für die Beachtung privater Rechte Dritter. Die in der
Veröffentlichung geäußerten Ansichten und Meinungen müssen nicht mit der Meinung
des Herausgebers übereinstimmen.
© Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung
Kaiser-Friedrich-Ring 75
65185 Wiesbaden
www.wirtschaft.hessen.de
Vervielfältigung und Nachdruck – auch auszugsweise – nur nach vorheriger
schriftlicher Genehmigung.
Titelbild: Rittal
Lektorat: Gabriele Kopf
Gestaltung: Piva & Piva, Darmstadt
Druck: A&M Service GmbH, Elz
www.hessen-nanotech.de
Dezember 2015
NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHEN
Inhalt
Vorwort 1
1. Einführung 2
2. Technologien und Verfahren zur Modifikation von Oberflächen 4
2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 6
2.2 Chemische Gasphasenabscheidung 9
2.3 Spritz-, Spray- und Tauchverfahren 11
2.4 Elektro- und thermochemische Verfahren 14
3. Oberflächenfunktionalisierungen 15
3.1 Optische Beschichtungen 15
3.2 Mechanische Schutz- und Hartstoffschichten 18
3.3 Elektrisch leitfähige und dielektrische Schichten 20
3.4 Chemisch funktionalisierte Beschichtungen 21
3.5 Biologisch aktive Beschichtungen 26
4. Industrielle Anwendungsfelder 27
4.1 Fahrzeugtechnik 28
4.2 Energie- und Umwelttechnik 30
4.3 Maschinen- und Werkzeugbau 32
4.4 Optik und Elektronik 34
4.5 Medizintechnik 36
5. Praxisbeispiele aus Hessen 38
5.1 PVA Industrial Vacuum Systems: Verschleißschutz für Stahloberflächen 38
5.2 Dr.-Ing. Meywald: Innovative Verfahren für edle Metalloberflächen 40
5.3 EPG Engineered nanoProducts Germany: Dekorative Schutzbeschichtungen auf Edelstahl 42
5.4 REWITEC: Mehr Performance für Motoren, Getriebe und Lager 44
5.5 MarkWehner-Protect: Schutzbeschichtungen für Baustoffe 46
5.6 Ruhl & Co: Neue Beschichtungslösungen für höchste Anforderungen im Korrosionsschutz 48
5.7 Rittal: Nanobeschichtungen für konstant hohe Kühlleistungen 50
6. Kompetenzen und Adressen hessischer Unternehmen 52
7. Literatur | Links 55
NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHEN
Vorwort
0. Headline
Wer kennt das nicht: Schon wieder Fingerabdrücke auf Einen Überblick über die Verfahren und Technologien
dem Smartphone-Display, und die Kratzer im Glas stören in diesem gleichermaßen etablierten wie innovativen
sowieso schon lange? Ein alltägliches, fast schon banales Arbeitsgebiet sowie Anwendungsbeispiele und Kon-
Beispiel für ein ergiebiges Forschungsfeld. Oberflächen taktadressen finden Sie in der vorliegenden Broschüre.
sind als Schnittstellen zwischen Produkten und ihrer Es wird deutlich, dass nano- und materialtechnologische
Umgebung vielfältigsten Kräften und Einwirkungen Innovationen zahlreiche Produkte verbessern können.
ausgesetzt – ob es sich nun um das Handy in der Ho- Wir hoffen, dass die folgenden Seiten Ihnen Impulse für
sentasche, die Frontscheibe eines Pkw oder den Motor Ihre Entwicklungen und Produkte geben.
einer Windkraftanlage hoch über der Nordsee handelt.
Hessische Unternehmen haben dafür zahlreiche Inno-
vationen entwickelt, die den Energieverbrauch senken
und die Lebensdauer der Produkte erhöhen. So stellt die
Firma Rewitec aus Lahnau nanotechnologische Additive Tarek Al-Wazir
für Motoren und Getriebe her, unter anderem für Offsho- Hessischer Minister für Wirtschaft, Energie,
re-Windkraftanlagen. Sie verringern Reibung, Abnutzung Verkehr und Landesentwicklung
und Verschleiß und verlängern so die Laufzeiten der
Anlagen. Die Energieausbeute wächst, die aufwendigen
und kostenintensiven Wartungsarbeiten auf offener See
reduzieren sich. Auch Auto- und Flugzeugteile benöti-
gen widerstandsfähige Oberflächen: Hier bieten unter
anderem die Wettberger Firma PVA Industrial Systems
und das Wetzlarer Unternehmen Ruhl & Co Lösungen an.
VORWORT 1
1. Einführung
Nano- und materialtechnische Lösungen für Oberflächen Randschichten-Härten, Nitrieren oder Verchromen nicht
können auf vielfältige Weise zur Verbesserung und zum nur dazu, das Reibungs- und Verschleißverhalten des
Werterhalt von Produkten im industriellen und privaten beschichteten Grundwerkstoffes zu verbessern, sondern
Anwenderbereich beitragen. Die gezielte Werkstoffaus- ein weiterer wichtiger positiver Effekt ist eine deutlich
wahl und eine darauf abgestimmte Funktionalisierung von verbesserte Oxidationsbeständigkeit. Die Oberfläche kann
Produktoberflächen durch Beschichtungstechnologien nachträglich mit Hilfe der Beschichtungstechnologie auf
spielen hier eine entscheidende Rolle. Beschichtungen ein bestimmtes Anforderungsprofil hin optimiert werden.
schützen vor Verschmutzungen, Korrosion und Verschleiß, Ziel der verschiedenen Oberflächenbehandlungsverfahren
verhindern unerwünschtes Anhaften, erhöhen die Abrieb- ist es, definierte Produktfunktionalitäten zu erzielen, wie
und Kratzfestigkeit oder verbessern sonstige Funktionen beispielsweise:
wie die Gleiteigenschaften. Dabei können Oberflä-
chenmodifikationen für Produkte eine Notwendigkeit • Mechanischen Schutz vor Verschleiß, eine erhöhte
darstellen, bisweilen sind sie aber auch nur optional, um Kratzfestigkeit oder besseren Schutz vor Reibungs-
zusätzliche Funktionalitäten zu implementieren. Höhere schäden bieten
Kundenanforderungen in Bezug auf die Qualität und
Funktionalität von Produkten führen zu einer wachsenden • Barrierefunktionen wie Schmutzabweisung,
Nachfrage nach definierten und individualisierbaren Be- Korrosionsbeständigkeit, Durchlässigkeit für
schichtungslösungen. Beschichtungen dienen aber nicht bestimmte Strahlung oder chemische Stoffe,
nur der Optimierung bestehender Produkte. Sie können Brandschutz oder Wärmeisolation durch das
auch dazu beitragen, neue Märkte für ein Unternehmen Produkt ermöglichen
zu erschließen und seine Position in der Wertschöpfungs-
kette zu stärken und zu verbessern. • Grenzflächenwechselwirkung optimieren oder
gewährleisten, wie etwa Haftung beziehungsweise
Die Anwendung der Oberflächen- und Schichttechno- Antihaftung, Benetzbarkeit, Lackierbarkeit oder
logie sowie insbesondere der Nanotechnologie bietet Biokompatibilität
die Möglichkeit, Produkte zu „veredeln“ und somit für
den jeweiligen Einsatzzweck zu optimieren. Dies kann • Optische und haptische Funktionen verbessern, so
durch die Modifikation der Oberfläche des Werkstoffes zum Beispiel das Reflexionsverhalten, die Absorp-
selbst erfolgen, das heißt ohne separaten Schichtauftrag tion oder Transparenz gegenüber Licht oder auch
(zum Beispiel durch Nitrieren, Randschicht-Härten oder um rein dekorative Effekte zu erreichen
Ionenimplantieren). Alternativ wird eine neue Schicht
auf das Substrat aufgebracht, wie beispielsweise beim Die Fülle der aktuellen Entwicklungen und Ergebnisse
thermischen Spritzen, der physikalischen und chemischen der Materialforschung und Oberflächentechnologie
Gasphasenabscheidung oder dem Sol-Gel-Verfahren. sind insbesondere für kleine und mittelständische Un-
Durch die Modifikation der Oberflächenrandbereiche ternehmen nahezu unüberschaubar. Die vorliegende
oder das Auftragen von Schichten erhalten die Grund- Broschüre soll Unternehmen unterstützen, Ideen für
werkstoffe neue chemische oder physikalische Eigen- Produktverbesserungen auf Basis nano- und material-
schaften, wie beispielsweise tribologische – das heißt technischer Lösungen zu entwickeln sowie geeignete
die Reibungseigenschaften betreffende – Funktionen. Kompetenzträger zu identifizieren, die auf den jeweiligen
Der Grundwerkstoff dient dann oftmals nur noch als Anwendungsfall zugeschnittene Beschichtungslösungen
„Trägermaterial“ für die Oberflächenschicht. Der daraus anbieten können.
resultierende Verbundwerkstoff vereinigt in nahezu idealer
Weise alle Vorzüge der Einzelkomponenten. Welches
Beschichtungsverfahren und -material verwendet wird,
hängt von den spezifischen Anforderungen an die Ober-
fläche des jeweiligen Grundwerkstoffes ab. So dient das
2 NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHEN
Oberflächenfunktionalisierung Einsetzbare Verfahren Beispiele für Materiallösungen Bei welchen Produkten anwendbar?
Farbeffekte Sprüh-/Tauchverfahren, Interferenzpigmente auf Architektur, Fahrzeugtechnik,
PVD-Verfahren Basis von nanobeschichteten Alltagsgenstände: Lacke mit irisierenden
Metalloxid-Substrat-Interferenz und Farbwechsel-Effekten
beschichtungen Optik: Optische Filter
Antireflexion Sol-Gel-Beschichtungen, Strukturierte Polymerschichten, Optik: zum Beispiel entspiegelte Linsen,
PVD-Beschichtungen Magnesiumfluoridschichten Objektive, Okulare, Displays, Brillengläser,
Mehrfach-Schichten aus Metall Sichtfenster und Solarmodule
oxiden
Schaltbare Lichtdurchlässigkeit PVD-Verfahren, Sputtern, Elektrochrome Schichten auf Architektur/Fahrzeugtechnik: Adaptive
Sol-Gel-Verfahren Basis von Metalloxiden (Molybdän- Verscheibungen,
bzw. Wolframoxide oder leitfähi- Konsumgüter: Brillengläser
ge Polymeren, farbstoffdotierte
Flüssigkristallmischungen)
Photochrome Beschichtungen auf
Basis von Silberhalogeniden
UV-/IR-Schutz PVD-Verfahren, Sol-Gel-Verfah- Titandioxid/Zinkoxid-Nanoparti- Bautechnik/Fahrzeugtechnik:
ren, Sprüh-/Tauchverfahren kel dotierte Klarlacke (UV-Schutz) UV-Schutz für Autolacke, Baukunststoffe
Verschleißschutz/ PVD-Verfahren, Hartstoffschichten aus Kohlen- Fahrzeugtechnik: Verschleißfeste Antriebs-
Reibungsminderung Sol-Gel-Verfahren, stoff, Hartmetallen und Keramiken komponenten (Motoren, Getriebe)
Sprüh-/Tauchverfahren Schmierstoffzusätze, Nanopartikel- Maschinenbau: Werkzeuge,
verstärkte Gleitlacke Maschinenkomponenten, Förderbänder etc.
Kratzfestigkeit PVD-Verfahren, Sol-Gel-Verfah- Nanopartikel-verstärkte kratzfeste Kunststofftechnik: Transparente bzw.
ren, Sprüh-/Tauchverfahren Klarlacke, Nanoglasbeschich- glänzende Kunststoffoberflächen
tungen zum Beispiel für Automobilinterior
Konsumgüter: Displays, Unterhaltungs
elektronik, Brillen
Bau: Parkettböden, lackierte Oberflächen
Elektrisch leitfähige Schichten Sprüh-/Tauchverfahren, Nanopartikel (CNT/Graphen)- Konsumgüter: Displays für Smartphones,
Sol-Gel-Verfahren, Atmo- dotierte Kunststoffe/Lacke, Fernseher etc.
sphärendruck-CVD-Verfahren, dotierte Metalloxide (Zinn, Energietechnik: Solarzellen
PVD-Verfahren Indium, Antimon) Fahrzeugtechnik/Textil: Beheizbare
Scheiben, Sitze, Kleidung
Dielektrische Schichten PVD-Verfahren Einfach- und Mehrfachschichten Optik: hoch präzise optische Komponenten
aus Metalloxiden und -nitriden mit definierter Transmisson/Reflektion
Elektronik: Dielektrika für Schaltkreise,
Kabel, Kondensatoren
Hydrophobie/ Antihaftschich- Sol-Gel-Beschichtungen, Beschichtungen mit Silizium Bau/Textil/Konsumgüter: Schmutz/-was-
ten Sprüh-/Tauchverfahren, dioxidnanopartikeln, organische- serabweisende Oberflächen, Anstriche,
Laserstrukturierung, anorganische Hybridpolymere, schmutzabweisende Kleidung, Markisen-
Plasmaätzverfahren, Lacke mit umweltschonenden stoffe, Antigraffiti-Beschichtungen
PVD-Verfahren kurzkettigen Fluortensiden Medizin-/Analysetechnik: Kanülen, restent-
leerbare Behälter, funktionelle Oberflächen
für Fluidik und Sensorik
Selbstreinigende Beschich- Sol-Gel-Beschichtungen, photokatalytische Beschichtun- Bau: Glas, Beton, Metall,
tungen Sprüh-/Tauchverfahren gen auf Basis von Titandioxid- mit Einschränkungen: Kunststoffe, Textilien
und Zinkoxid-Nanopartikeln
Korrosionsschutz/ Elektrochemische Beschichtun- Organisch anorganische Hybrid- Leichtbau, Flugzeug und Automobil-
Verzunderungsschutz gen, Sol-Gel-Verfahren, materialien/-schichten mit integ- bau, Architektur: Metalloberflächen Stahl,
Sprüh-/Tauchverfahren, rierten Metalloxid-Nanopartikeln, Aluminium, Magnesium, Messing, Kunst-
PVD-Verfahren wasserbasierte und lösemittel- stoffe, Glas, Beton
basierte Zink-/Magnesium
beschichtungslösungen
Brandschutz Sol-Gel-Verfahren, Sol-Gel-basierte Brandschutzbe- Bau/Textil: Kunststoffteile, Glas, T
extilien,
Sprüh-/Tauchverfahren schichtungen Holz, Naturfasern
Biokompatibiltät, PVD-Verfahren, Hydrophile, amphiphile und Medizin: Stents, Katheter,
Bioaktivität Sprüh-/Tauchverfahren, thermoresponsive Polymere, Implantate, Membranen, Zellkulturgefäße,
keramische Beschichtungen für Spritzen
Titanimplantate
Antibakteriell PVD-Verfahren, Nanosilberbeschichtungen, Medizin: Stents, Katheter,
Sol-Gel-Verfahren, Titandioxid- und Zinkoxid-Nano- Operationsbesteck
Sprüh-/Tauchverfahren partikel für photoaktive Beschich- Konsumgüter: Antibakterielle Oberflächen
tungen für Haushaltsoberflächen
Überblick zu nano-/materialtechnischen Lösungen für Oberflächenfunktionalisierungen und deren technische Anwendungen (Quelle: VDI TZ).
EINFÜHRUNG 3
2. Technologien und Verfahren zur
Modifikation von Oberflächen
Verfahren Target / Schichtmaterial Substrat Bauteilgeometrie Temperatur Schichtdicken
PHYSIKALISCHE GASPHASENABSCHEIDUNG
Thermische leicht verdampfbare Festkörper kleine Flächen niedrig dünn – dick
Verdampfung Festkörper bevorzugt
Elektronenstrahl- niedrig- und hoch- Festkörper kleine Flächen niedrig – mittel dünn - dick
verdampfen schmelzende Festkörper bevorzugt
Lichtbogen- leitfähige Festkörper leitfähige beliebig / Bohrungen niedrig – hoch dünn – dick
verdampfung Festkörper problematisch
Sputtern Festkörper Festkörper große ebene Flächen mittel dünn
bevorzugt
Ionenplattieren Festkörper Festkörper beliebig / Bohrungen mittel – hoch dünn – mittel
problematisch
CHEMISCHE GASPHASENABSCHEIDUNG
Thermisch aktiviert chemische Precursoren wärmeresistente beliebig hoch dünn – mittel
Festkörper
Plasma-unterstützt gasförmige Ausgangs- Festkörper beliebig / Bohrungen niedrig – hoch dünn
materialien problematisch
SPRAY, SPRITZ- UND TAUCHVERFAHREN
Thermisches Spritzen metallischer Draht, Festkörper flächiges Substrat niedrig – mittel mittel – dick
Pulver bevorzugt
Elektrostatisches Fluide, Pulver, Fasern leitfähige Oberfläche beliebig niedrig mittel – dick
Sprayen
Sol-Gel-Verfahren flüssiger Sol-Zustand Festkörper beliebig niedrig dünn – mittel
ELEKTRO- UND THERMOCHEMISCHE VERFAHREN
Galvanische leitfähige Festkörper leitfähige Oberfläche beliebig / Kanten niedrig mittel – dick
Beschichtung problematisch
Einsatzhärten und Kohlenstoff/ Stickstoff eisenbasierte Bauteile beliebig mittel – hoch dünn
Nitrieren
Verfahrensparameter, Anforderungen und Anwendungsbeispiele verschiedener Beschichtungstechnologien (Quelle: VDI TZ).
4 NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHENOberflächen- und Schichttechnologien dienen der Ei- sche Gasphasenabscheidung, die Auftragung lösemittel-
genschaftsverbesserung von Bauteilen und Werkzeugen. oder pulverbasierter Schichten sowie die Schichtbildung
Dabei werden sowohl dekorative als auch funktionsbestim- durch galvanische oder thermochemische Prozesse.
mende Eigenschaften angestrebt. Für die Beschichtung
steht eine Vielzahl an Methoden zur Verfügung, bei denen Die nachfolgende Tabelle fasst die jeweiligen Beschich-
je nach Art der Erzeugung des Beschichtungsmaterials und tungsanforderungen und Verfahrensparameter für die
in Abhängigkeit der Materialaufbringung unterschieden unterschiedlichen Schichttechnologien zusammen.
wird. Bei den Verfahren handelt es sich im Wesentlichen
um die etablierte physikalische beziehungsweise chemi-
Vakuum Kosten Vorteile / Nachteile Anwendungsbeispiele
Hochvakuum niedrig + hohe Auftragsraten möglich Al-Beschichtung von Reflektoren;
+ keine Umweltbelastung Beschichtung von Kunststoffen mit Al, Ag, Au oder Cu
– oftmals Probenrotation nötig
Hochvakuum mittel + qualitativ hochwertige Schichten metallische und oxidische Beschichtungen;
+ große Schichtvielfalt Barriereschichten für Verpackungen
+ hohe Verschleißfestigkeit
+ hohe Auftragsraten möglich
+ keine Umweltbelastung
– oftmals Probenrotation nötig
Hochvakuum mittel + qualitativ hochwertige Schichten metallische Verschleißschutzschichten
+ große Schichtvielfalt
+ hohe Verschleißfestigkeit und Haftung
+ beliebige Targetlage
+ keine Umweltbelastung
– oftmals Probenrotation nötig
– Droplettemission möglich
Ultrahoch- mittel + gleichmäßige Beschichtung Funktionsschichten für Wärmeschutzverglasungen, Displays
vakuum + Beschichtungsfläche einfach skalierbar und Solarzellen;
+ Targetlage beliebig Abscheidung von Legierungs- und Verbindungsschichten
+ gute Schichthaftung
+ keine Umweltbelastung
Ultrahoch- mittel – dielektrische Beschichtungen haftfeste industrielle Beschichtungen
vakuum – komplexe Geometrien problematisch
Grobvakuum mittel – hoch + hohe Härte / Verschleißfestigkeit Hartstoffschichten für Bohr- und Schneidwerkzeuge
+ Schichteigenschaften gut einstellbar
– reaktive Gase
– Abgasnachbehandlung nötig
Grobvakuum mittel – hoch Schichten für Tribologie, Korrosionsschutz, Optik, Sensorik,
Design, e
lektronische Bauteile; Beschichtung von Kunststoffen
Schutzgas niedrig + große Werkstoffvielfalt Hitze-, Verschleiß- und Korrosionsschutz; Beschichtung wärme
+ hohe Auftragsraten empfindlicher Materialien (Holz, Papier, Kunststoff)
+ flexibel einsetzbar
kein Vakuum niedrig – Restporösität Schichten mit Flüssig- und Pulverlack
nötig – sicherheitstechnische Anforderungen
kein Vakuum niedrig + einfache Lackiertechnik Glas- oder Keramiküberzüge; Beschichtung mit Pulvern, Fasern,
nötig + chemisch reine Schichten Keramikpartikeln; funktionelle Schichten (schmutzabweisend,
– dicke Schichten durch Multilagen antimikrobiell, hydrophil, hydrophob, photokatalytisch, …)
kein Vakuum niedrig + gute Korrosionsbeständigkeit dekorative Beschichtungen;
nötig + hohe Beschichtungsraten Korrosions- und Verschleißschutz
– eher weiche Schichten
– eingeschränkte Materialwahl
– zum Teil ökologisch bedenklich
kein Vakuum niedrig + gute Korrosionsbeständigkeit Oberflächenhärtung von Eisenmaterialien;
nötig – Nachbehandlung nötig Standzeitverlängerung von Eisenwerkstoffen
TECHNOLOGIEN UND VERFAHREN 52.1 Physikalische Gasphasen-
abscheidung
Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD: Flächenemitter, in der Regel ein ionenunterstütztes Verfah-
physical vapour deposition) wird durch Erhitzen oder ren. Bei der Beschichtung mehrerer kleiner Bauteile kann
durch Beschuss mit energiereichen Teilchen wie Ionen, durch eine angepasste Rotation der Substrataufhängung
Elektronen oder Photonen aus einem als „Target“ be- das Problem eines ungleichmäßigen Materialauftrags
zeichneten Beschichtungsmaterial durch Verdampfen oder weitgehend vermieden werden.
Zerstäuben Material ausgelöst, das sich dann auf einem
gegenüberliegenden Substrat, also der zu beschichten- Dieses Verfahren muss immer im Vakuum durchgeführt
den Oberfläche, als feste Schicht niederschlägt (Merz werden, um unerwünschte Verunreinigungen durch
und Jehn 2001). Dazwischen können durch geeignete Gase zu vermeiden. Auch könnte das aus dem Target
Verfahrensparameter wie Temperatur, elektrische Felder ausgelöste Material auf seinem Weg zum Substrat sonst
oder Ionisationsbereiche die Teilcheneigenschaften mit Gasmolekülen zusammenstoßen und so Bewegungs-
gezielt zur Erreichung der gewünschten Schichteigen- energie verlieren, was ebenfalls die Schichteigenschaften
schaften, wie beispielsweise Härte, Porosität, Rauheit, beeinflussen würde.
eingestellt werden.
Der wesentliche Vorteil des physikalischen Gasphasen-
abscheidungsverfahrens liegt in der niedrigen Abschei-
detemperatur, wodurch eine Bandbreite an Stoffen, wie
beispielsweise Kunststoffe, Keramiken, Gläser, Metalle
oder Halbleiter mit einer Vielfalt an Materialien be-
Schichtbildung schichtet werden können. Einschränkungen besitzen die
physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren bei
der Beschichtung stark verformter Oberflächen, denn
die ausgelösten Teilchen bewegen sich in der Regel
Materialtransport geradlinig vom Target zum Substrat. Die Struktur der
Beschichtung kann durch Variation der Auftreffenergie
der Teilchen, der Bindungsenergie der Substratober-
Materialabtrag fläche und der Beschichtungsrate verändert werden. Beim
Abscheidungsprozess können aber auch gezielt weitere
Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenwasserstoffe
und dergleichen zugesetzt und so deren Bestandteile
ebenfalls in die Beschichtung eingebaut werden. Auf diese
Prinzipieller Ablauf einer physikalischen Gasphasenabscheidung Weise sind Oxid-, Nitrid- und Karbidschichten zugänglich,
(Quelle: VDI TZ).
die für optische Schichten oder harte Randschichten von
Bedeutung sind. Auch durch zusätzlichen Beschuss der
Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung unter- Substratoberfläche mit energiereichen Ionen lassen sich
scheidet man für die Schichterzeugung je nach Target- die Schichteigenschaften beeinflussen (Schultrich 2010).
anregung das Aufdampfen und das Aufsputtern oder
Ionenplattieren. Die Wahl des Verfahrens hängt von der Verschiedene physikalische Abscheideverfahren lassen
Art, Form und Größe des zu beschichtenden Bauteils ab. sich kombinieren und je nach Anforderung flexibel in
Bei großen, flächigen Substraten wählt man eher einen wirtschaftlichen Rolle-zu-Rolle-Prozessen einsetzen.
Produktionsanlage zur Herstellung organischer Solarfolien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren mittels Vakuumdeposition
(Quelle: Heliatek, Fotograf Tim Deussen, Berlin).
6 NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHEN2.1.1 Thermische Verdampfung 2.1.2 Elektronenstrahl-
verdampfen
Hierbei wird das Beschichtungsmaterial in einem Tiegel Unabhängig von der Schmelztemperatur lassen sich feste
oder von einer Wendel verdampft. Dazu wird der Träger Materialien durch Anregung mit einem hochenergeti-
durch direkten Stromdurchgang, Induktion, Elektronen- schen Elektronenstrahl verdampfen. Ein leistungsstarker
beschuss oder Laserstrahlung aufgeheizt. Die emittierten Elektronenstrahl mit Beschleunigungsspannungen im
Teilchen besitzen eine geringe Bewegungsenergie, Kilovolt-Bereich wird über eine Elektronenoptik auf das
wodurch eine schonende Beschichtung auch von emp- Target fokussiert und heizt dessen Oberfläche lokal so
findlichen Substraten möglich ist. stark auf, dass dort das Targetmaterial in die Gasphase
übertritt.
Beim Widerstandsverdampfen wird der Tiegel aus hoch-
schmelzendem Material wie beispielsweise Wolfram,
Molybdän, Tantal oder Graphit direkt von elektrischem
Strom durchflossen und dadurch erhitzt. Hinsichtlich Substrat
Beschichtung
der zu verdampfenden Materialien können dabei nur
e-
leicht verdampfbare oder wenig reaktive Materialien
wie Zinn, Zink, Aluminium, Silber, Gold oder Kupfer Target
verwendet werden.
Elektronenstrahlinduzierte Verdampfung (Quelle: VDI TZ).
Substrat
Beschichtung Durch Variation der Elektronenenergie und des Be-
schussstroms lassen sich die Oberflächentemperatur
und die Verdampfungsrate variieren. Ein großflächiger
Target
– +
Materialabtrag kann durch Rastern des Elektronenstrahls
erreicht werden. Die gegenüber der Widerstandsheizung
höheren Anschaffungskosten werden durch geringere
laufende Kosten und durch die höheren Produktions-
Widerstandsverdampfung durch strominduzierte Tiegelheizung raten bei v ariablerem Materialeinsatz kompensiert. Der
(Quelle: VDI TZ). Elektronenstrahlverdampfer besitzt aber Nachteile bei
der Beschichtung großer ebener Flächen, wofür dann
Wird die Herstellung besonders dünner Schichten mit eher flächenförmige Sputterquellen eingesetzt werden.
atomar genau eingestellter Gitterstruktur gewünscht, wie
dies oft in der Halbleiterindustrie für die Herstellung von
Halbleiterlasern oder Hochleistungstransistoren der Fall
ist, so setzt man für das Aufwachsen die Molekularstrahle-
pitaxie (MBE) ein, bei der aus geeignet angeordneten
beheizten Zellen die nötigen Halbleiter gerichtet auf
das Substrat aufgebracht werden. Das thermische Ver-
dampfen ist eine vergleichsweise preiswerte Methode
zur Schichtherstellung und ist eines der im industriellen
Maßstab hauptsächlich angewendeten Verfahren.
TECHNOLOGIEN UND VERFAHREN 72.1.3 Lichtbogenverdampfung 2.1.4 Zerstäubungsabscheidung
(Sputtern)
Um dichtere Schichten abzuscheiden, reicht die Bewe- Bei der Zerstäubung von Targetmaterial (Sputtern) werden
gungsenergie der thermisch verdampften Teilchen nicht durch Teilchenbeschuss ausgelöste Atome mit hoher
aus. Energiereichere und damit reaktionsfreudigere Teil- kinetischer Energie auf ein Substrat gelenkt und dort
chen können durch intensive Aktivierung des Dampfes deponiert. Der Sputterprozess wird in der Regel durch
erzeugt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den bei Beschuss mit Ionen aus einer Ionenstrahlkanone oder aus
der Elektronenstrahlverdampfung benutzten Elektronen- einem ionisierten Gasvolumen (Plasma) durchgeführt.
strahl als Bogenentladung zu gestalten, wobei jedoch die Zum Sputtern wird an das Target eine negative Spannung
Anregungsenergie dieses Elektronenstrahls kleiner wird angelegt, welche die kinetische Energie der Beschuss-
und dadurch die Beschichtungsrate abnimmt. ionen und damit die Sputtereffektivität bestimmt. Dabei
kommt es durch den Energieeintrag der Ionen zu einer
Bei dieser Vakuumlichtbogenabscheidung wird das Be- Stoßkaskade im Target, wodurch Oberflächenatome
schichtungsmaterial auf einem eng begrenzten Brennfleck ausgelöst werden. In der Regel werden Edelgasionen als
des Lichtbogens erhitzt und verdampft. Das Target ist Beschussteilchen verwendet. Die Sputterausbeute hängt
dabei fest und leitfähig und der Träger der Gasentladung sowohl von der Art, der Energie und dem Einfallswinkel
ist der entstehende Dampf selbst. In diesem werden der auftreffenden Ionen als auch vom Targetmaterial
überwiegend Ionen erzeugt, welche durch Anlegen ei- selbst ab. Die Bewegungsenergie der emittierten Atome
ner Spannung mit variabler kinetischer Energie auf das ist deutlich höher als beim Verdampfungsprozess, wo-
Substrat gelenkt werden können. Auch durch gepulste durch zwar die schonende Beschichtung verloren geht,
Laserstrahlung lässt sich festes Targetmaterial verdampfen sich aber dichtere Schichtstrukturen herstellen lassen.
und bei Zuführung einer hohen Leistungsdichte lokal in
ein ionisiertes Gas (Plasma) überführen. Die Schichtbil-
dungsprozesse sind bei beiden Verfahren ähnlich, da in
beiden Fällen ein hochionisierter Plasmastrahl erzeugt
wird. Durch Anlegen elektrischer Potenziale kann das
ionisierte Dampfmaterial gezielt auf Substratoberflächen
abgeschieden werden. Durch Variation dieses Ionen- Substrat
beschleunigungspotenzials können unterschiedliche Beschichtung
Ar+
Schichteigenschaften eingestellt werden.
Target
Substrat
Substrat
Beschichtung Beschichtung
– Laser
Plasma + Ar+ Ar+ Ar+ Ar+ Ar+ Ar+
+ + +
+ +
+ ++ –
e- Target
Target
Erzeugung eines Lichtbogens für ionenunterstützte Ioneninduzierter Materialabtrag für Beschichtungsprozesse.
Abscheideprozesse (Quelle: VDI TZ). Oben: unter Nutzung einer Argon-Ionenkanone;
unten: durch Plasmaionenbeschuss (Quelle: VDI TZ).
8 NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHENEine besondere Form des Plasmaeinsatzes stellt das Neben der gezielten Erzeugung von Defekten an der
Magnetronsputtern dar. Hierzu wird hinter der als Target Substratoberfläche, der Änderung der Topografie und
fungierenden Plasmakathode ein Magnetfeld erzeugt, der Erhöhung der Oberflächentemperatur wird den Be-
welches näherungsweise parallel zur Targetoberfläche schichtungsmaterialien kinetische Energie übertragen,
verläuft. Dadurch werden die aus dem Target austretenden sodass diese sich entlang der Oberfläche bewegen
Elektronen so abgelenkt, dass sich ihre Verweilzeit im können und energetisch günstige Verbindungen mit dem
Plasma verlängert und dadurch ihre Ionisationswirkung Substrat beziehungsweise der bereits aufgebrachten
verstärkt wird. Durch die Magnetfeldunterstützung sind Beschichtung eingehen können. Durch Variation der Be-
höhere Strom- und Leistungsdichten möglich und damit schussstromdichte, der Ionenenergie und des Gasdrucks
auch höhere Abscheideraten. Eine Hauptanwendung in der Vakuumkammer kann der Schichtaufbau von porös
des Magnetron-Sputterns ist die Großflächenabschei- bis dicht, von grob- bis feinkörnig und von säulenartig
dung elektrischer und optischer Funktionsschichten, bis zur geschlossenen Schicht gezielt verändert werden.
beispielsweise für Wärmeschutzverglasungen, Displays Der zusätzliche Teilchenbeschuss kann auch zuerst zur
und Photovoltaikkomponenten, wobei prinzipiell auch Reinigung der Substratoberfläche vor der Beschichtung
nichtleitende Targetmaterialien verwendet werden kön- eingesetzt werden und danach zur Beeinflussung des
nen. Jedoch ist der Langzeitbetrieb durch den inhomo- Beschichtungsprozesses.
genen Targetabtrag eingeschränkt.
Das Ionenplattieren hat eine große Bedeutung für die
industrielle Anwendung beschichteter Substrate, denn
2.1.5 Ionenplattieren die mechanischen, elektrischen und optischen Eigen-
schaften von Beschichtungen sind abhängig von der
Generell wird unter Ionenplattieren die Erzeugung ei- Struktur des Schichtaufbaus und seiner Verbindung mit
ner besonders stabilen Beschichtung eines Werkstücks dem Substrat. Beispielsweise kann die Haftfestigkeit und
verstanden. Dabei wird die Schichtabscheidung unter Härte aufgedampfter Schichten durch den gleichzeitigen
gleichzeitigem Beschuss mit Ionen hinreichend hoher Ionenbeschuss stark erhöht werden.
Energie durchgeführt. Somit können die Eigenschaften
der Übergangszone Substrat/Schicht und die der sich
aufbauenden Schicht selbst zusätzlich beeinflusst werden. 2.2 Chemische Gasphasen
In den meisten Fällen werden die Ionen aus einem Plasma abscheidung
heraus auf die Substratoberfläche beschleunigt. Dadurch
lassen sich besonders dichte, extrem fest verankerte und Der Prozess der chemischen Gasphasenabscheidung
daher hoch verschleißfeste Schutzschichten generieren. (CVD: chemical vapour deposition) nutzt durch Energie-
zufuhr gezielt hervorgerufene chemische Reaktionen, um
erzeugte Teilchen oder chemische Verbindungen auf
einem Substrat abzuscheiden. Je nach Prozessführung
Substrat kann dabei die Abscheidung als Schicht oder als Pulver
Beschichtung – erfolgen. Die Einleitung der durch ein Prozessgas zuge-
Plasma + Ar+ Ar+ Ar+ Ar+ Ar+ Ar+ führen Beschichtungsmaterialien ist richtungsunabhängig,
– so dass auch stark verformte Bauteile beschichtet werden
Target können. Unterstützt werden kann der Prozess durch
gerichtete Strömungs- und Diffusionsprozesse, um die
Abscheiderate zu erhöhen (Pritzlaff und Lautner 1997).
Sputterprozess und ionengestützte Materialabscheidung
(Quelle: VDI TZ).
Trägergas Schichtabscheidung
und Abgas
Schichtmaterial
Durch chemische Reaktionen erzeugte Schichtbildung (Quelle: VDI TZ).
TECHNOLOGIEN UND VERFAHREN 92.2.1 Thermisch aktivierte
Gasphasenabscheidung
Die chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren wer- Im Falle der thermisch aktivierten Gasphasenabscheidung
den in der industriellen Praxis meist in den Bereichen werden durch hohe Prozesstemperaturen (in der Regel
Tribologie, Korrosionsschutz, Optik und Design, Sensorik 1.000 Grad Celsius und mehr) die für die Schichtbildung
und der Herstellung elektronischer Bauteile eingesetzt. In relevanten chemischen Reaktionen eingeleitet. Daher ist
der Regel wird mit einem Trägergas und einer gasförmigen die Substratwahl prinzipiell beschränkt auf Materialien,
Ausgangsverbindung (Precursor) gearbeitet, die durch die durch solch hohe Temperaturen nicht geschädigt
thermische, elektrische oder photonische Anregung zu werden. Andererseits sind dadurch extrem feste Subs-
chemischen Reaktionen gebracht werden kann. Dabei trat-Schicht-Verbindungen möglich, wie sie für Bohr- und
wird der Anregungsprozess so geführt, dass die Reaktion Schneidwerkzeuge benötigt werden. Doch erfordert der
möglichst nur auf der Bauteiloberfläche erfolgt. Neben große Temperaturunterschied während und nach der
gasförmigen Beschichtungsmaterialien können auch feste Prozessierung die Berücksichtigung der unterschiedli-
oder flüssige Materialien genutzt werden, wenn diese chen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Substrat und
zuvor verdampft und vom Trägergas mitgenommen oder Schicht, um mögliche Schichtschädigungen zu vermeiden.
durch Sprühen der Substratoberfläche zugeführt werden. Um diese nötigen Oberflächentemperaturen zur Anwen-
Im Gegensatz zu den physikalischen Gasphasenabschei- dung zu bringen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
dungsverfahren, die im Hochvakuum betrieben werden, Der einfachste Aufbau ist der Heißwandreaktor. Hier
können chemisch erzeugte Abscheideprozesse auch bei wird einfach das ganze Gefäß um das Substrat erhitzt,
höherem Druck ablaufen. Da die Ausgangsmaterialien Precursorgas eingeleitet und aufgeheizt. Die Abscheidung
gasförmig zugeführt werden, eignen sich chemische erfolgt dann auf allen Oberflächen dieses Reaktionsraums.
Verfahren gut für einen kontinuierlichen Betrieb. Doch Daher müssen häufig Reinigungszyklen erfolgen und es
werden an die Precursoren hohe Anforderungen gestellt, besteht die Gefahr, dass durch Wärme ausgelöste Wand-
denn sie sollen problemlos handhabbar, weder explosiv teilchen ebenfalls in die Schicht mit eingebaut werden.
oder selbstzündend und dabei ungiftig und unkritisch
entsorgbar sein. Zudem müssen bei großflächigen Be-
schichtungen auch die Kosten dieser Ausgangssubstanzen
akzeptabel sein (Schultrich 2010).
Wandheizung
Trägergas Schichtabscheidung
und Abgas
a
Schichtmaterial
Schichtabscheidung
Trägergas
und Abgas b
Schichtmaterial
Substratheizung
Heißdrahtheizung
Trägergas
und Schichtabscheidung Abgas c
Schichtmaterial
Thermische Aktivierung chemischer Reaktionen über a) Wandheizung
b) direkte Substratheizung oder c) Heißdrahtheizung
(Quelle: VDI TZ).
10 NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHENAbhilfe bietet hier der Kaltwandreaktor, bei dem nur das Durch Variation der Frequenz der Plasmaanregung,
Substrat geheizt wird und der Rest des Reaktionsgefäßes der Energieeinkoppelart (induktiv, kapazitiv) und des
gekühlt wird. Die Heizung kann durch Induktion, direkten Abscheidepotenzials lassen sich Verfahrensparameter
Stromdurchgang oder durch Infrarotstrahlung erfolgen. in weiten Bereichen ändern und somit auch die Schicht
Da die chemische Reaktion auf die Bauteiloberfläche eigenschaften beeinflussen.
beschränkt bleibt, sind höhere Konzentrationen der
Precursoren möglich und damit höhere Abscheideraten.
Nachteilig können sich jedoch Temperaturgradienten
auswirken, welche die Gasströmung und damit die lokale Plasma
Trägergas
Schichtabscheidung
Abscheidung beeinträchtigen. und Abgas
Schichtmaterial
Eine weitere Möglichkeit stellt die Heißdraht-Abschei
dung dar. Dabei wird ein aus Tantal oder Wolfram be-
stehender Draht durch Stromfluss auf über 2.000 Grad
Celsius erhitzt, wodurch die Precursormaterialien disso- Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung
ziieren und Radikale bilden. Diese Dissoziationsprodukte (Quelle: VDI TZ).
werden dann zur Schichtbildung verwendet.
Da bei Plasmaunterstützung die chemische Reaktion durch
Die Substraterhitzung kann aber auch durch Anregung ein ionisiertes Gas ausgelöst wird, werden Verfahrenstem-
mit einem Laserstrahl erfolgen. Da in der Regel dieser peraturen unter 100 Grad Celsius ermöglicht. Somit sind
Laserstrahl fokussiert und geführt werden kann, lassen auch temperaturempfindliche Substrate beschichtbar, wie
sich auch Strukturen an der Oberfläche abscheiden. Bei beispielsweise Kunststoffe. Durch geschickte Kontaktie-
Nutzung eines breiten Laserstrahls können alternativ mit rung und Anordnung der zu beschichtenden Substrate
Hilfe einer Maske Oberflächenmuster erzeugt werden. und des Plasmas können Bauteile aus leitfähigen oder
isolierenden Materialien verwendet werden. Auch lässt sich
der Prozess der Plasmaanregung und der Beschichtung
2.2.2 Plasmaunterstützte räumlich trennen, sodass eine größere Freiheit bei der
Wahl der Bauteilgeometrie erreicht wird und auch die
chemische Gasphasen- Wartungsintervalle der Beschichtungsapparatur verlän-
abscheidung gert werden können. Wie beim Ionenplattieren ist auch
beim plasmaunterstützten chemischen Abscheiden die
Bei der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenab-
Einwirkung auf die Schichtbildung durch zusätzlichen
scheidung (PECVD: plasma enhanced chemical vapour
Ionenbeschuss möglich.
deposition) wird mit Hilfe eines durch Glimmentladung,
Hochfrequenz- oder Mikrowellenanregung erzeugten
Plasmas die für die chemische Reaktion bei der Beschich-
tung notwendige Energie zugeführt. Die zur Reaktion 2.3 Spritz-, Spray- und Tauch-
bestimmten gasförmigen Verbindungen (Precursoren) verfahren
werden im Plasma in Radikale gespalten oder in angereg-
te Zustände überführt. Sie reagieren somit bei deutlich Die einfachsten Formen der Beschichtung eines Substra-
niedrigeren Temperaturen mit der Substratoberfläche tes sind das Spritzen, Sprühen oder Tauchen. Mit diesen
verglichen mit der thermischen Gasphasenabscheidung. Verfahren können organische, anorganische, metallische
Durch die elektronische Anregung wird eine höhere und nichtmetallische Lagen, Plättchen oder Flocken aus
chemische Reaktivität der Ausgangsgase bewirkt. Durch Farbe, Lack, Metall, Kunststoff oder Keramik auf fast jede
Anlegen elektrischer Potenziale zwischen Plasma und Oberfläche aufgebracht werden. Dabei sind je nach An-
Substrat kann die Bewegungsenergie der abzuschei- wendung geeignete Materialkombinationen für Substrat
denden Materialien beeinflusst werden, sodass durch und Beschichtung zu beachten, in der Regel sind vorbe-
kinetischen Energieübertrag dichte Schichten auf der reitende Maßnahmen nötig (Reinigung, Haftvermittler,
Substratoberfläche hergestellt werden. leitfähige Zwischenschichten) und in einigen Fällen wird
erst durch eine geeignete Nachbehandlung (trocknen,
tempern, walzen), die angedachte Schichtfunktion erzielt.
TECHNOLOGIEN UND VERFAHREN 112.3.1 Thermisches Spritzen 2.3.2 Elektrostatisches Sprayen
Beim thermischen Spritzen wird aufgeschmolzenes Beim elektrostatischen Beschichten werden Fluide, Pulver
Material mit Hilfe eines Luft- oder Gasstrahls mit ho- oder Fasern im Bereich eines starken elektrischen Feldes
her Geschwindigkeit auf ein Substrat beschleunigt. versprüht und durch gleichzeitige elektrostatische Auf
Aufgeschmolzen wird dabei ein Draht oder Pulver mit ladung von dem geerdeten Werkstück angezogen und
Hilfe einer Flamme, eines Lichtbogens, eines Plasmas auf dieses aufgetragen (BGHM 2014). Da dabei mehrere
oder eines Lasers. Als Spritzwerkstoffe können Metalle, 10 Kilovolt und oftmals entzündbare oder explosions-
Legierungen, Keramiken oder auch Verbundwerkstoffe fähige Stoffe eingesetzt werden, sind besondere sicher-
eingesetzt werden. heitstechnische Anforderungen notwendig.
Substrat Substrat
Beschichtung Beschichtung
Düse Düse –
heißes
Schichtmaterial
Luft- Gasstrahl
Pulver, Lack, Flock
Prinzip des thermischen Spritzens (Quelle: VDI TZ). Schematische Anordnung einer elektrostatischen Sprayanlage
(Quelle: VDI TZ).
Mit diesem Verfahren lassen sich hohe Abscheideraten Beim elektrostatischen Lackieren wird in der Regel durch
erzielen, wobei der Energieeintrag in die Beschichtung Druckluft versprühter Flüssiglack vernebelt und die
vergleichsweise gering ist und die zu beschichtende Tröpfchen werden dabei in einem Hochspannungsfeld
Oberfläche nicht angeschmolzen wird (Weißbach 2010). aufgeladen. Durch die elektrischen Feldkräfte werden
Die Teilchen haften durch punktförmige Verschweißung, die Tröpfchen auf dem Bauteil niedergeschlagen und
Adhäsion und Verklammerung. Wichtig für den Spritzpro- anschließend wird die Beschichtung getrocknet und
zess ist die gründliche Säuberung der Oberfläche vor der gehärtet.
Beschichtung. Die sich bildende Schichtstruktur hängt
von der Temperatur und Geschwindigkeit des Schicht- Im Falle der elektrostatischen Pulverbeschichtung wird
materials ab und ob der Prozess an Luft, in Schutzgas Pulver mit Hilfe eines Luftstroms dem Sprühsystem
oder im Vakuum durchgeführt wird. Nachträglich kann die zugeführt, durch Hochspannung oder durch die Rei-
Schicht auch durch Walzen oder Befüllen der vorhande- bungselektrizität im Strömungskanal der Sprühpistole
nen Poren verändert werden. Hauptanwendungsbereich aufgeladen und dann durch das elektrische Feld auf
findet das thermische Spritzen beim Hitze-, Verschleiß- dem Werkstück aufgebracht.
und Korrosionsschutz. Da beim thermischen Spritzen
die Wärmebelastung des Bauteils sehr gering gehalten Auch kurze Fasern lassen sich so aus einem Vorrats
werden kann, lassen sich neben Glas, Metall oder Keramik behälter und mittels des elektrischen Feldes auf eine mit
auch Kunststoffe, Holz und Papier beschichten. Klebstoff beschichtete geerdete Oberfläche aufbringen,
wobei die Fasern durch das Feld gleichzeitig ausgerich-
tet werden. Anschließend wird der Klebstoff getrocknet
und ausgehärtet.
12 NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHEN2.3.3 Sol-Gel-Verfahren
Das Sol-Gel-Verfahren ist ein nasschemisches Verfah-
ren, bei dem ein flüssiger Sol-Zustand in einen festen
Gel-Zustand überführt wird. Als Sol wird eine Dispersion
bezeichnet, bei der feste Nanopartikeln sich in Wasser
oder organischen Lösemitteln verteilen. Bei der Über-
führung in den Gel-Zustand wird das zu beschichtende
Bauteil mittels Flüssigphasenverfahren wie Tauchen,
Spincoating oder auch Inkjet-Verfahren mit der Sol-Gel-
Lösung beschichtet. Hierfür sind auch wirtschaftliche
Benetzung Trocknung funktionelle
Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsprozesse einsetzbar. Verdichtung Beschichtung
Die benetzte Oberfläche wird im nachfolgenden Pro-
zessschritt getrocknet und mittels einer Wärmebehand- Arbeitsabläufe bei der Sol-Gel-Beschichtung (Quelle: VDI TZ).
lung oder Ultraviolett-Bestrahlung in eine feste Schicht
überführt. Die Wärmebehandlung entfernt die restlichen Mittels des Sol-Gel-Verfahrens können sowohl funktionelle
Lösemittelbestandteile durch Pyrolyse und verdichtet Beschichtungen als auch Massivmaterialien hergestellt
dadurch die Partikel zu einer kompakten Beschichtung. werden. Das Spektrum reicht dabei von keramischen
Je nach Temperatur und Dispersionswahl werden anor- Festköpern bis zu Fasern oder Pulver. Durch den Einsatz
ganisch-organische Vernetzungen, Glaszustände oder unterschiedlichster Nanopartikel-Dispersionen können
keramische Überzüge erzeugt. durch Sol-Gel-Abscheidung Beschichtungen mit unter-
schiedlichsten Eigenschaften (easy-to-clean, antifinger-
print, antimikrobiell, hydrophil, hydrophob etc.) erzeugt
werden.
Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlage für Sol-Gel-basierte elektrochrome Folienbeschichtungen, die unter Reinraumbedingungen aufgebracht werden
(Quelle: Fraunhofer ISC).
TECHNOLOGIEN UND VERFAHREN 132.4 Elektro- und thermo
chemische Verfahren
Bei den elektrochemischen Verfahren werden in der Regel Bei der galvanischen Beschichtung ist auf die richtige
Metalle auf einem elektrisch leitenden Grundmaterial Anordnung von Target und Werkstück zu achten. Da die
aufgebracht. Das zu beschichtende Bauteil muss dabei Beschichtungsmaterialien sich entlang der elektrischen
absolut sauber sein und Kunststoffe müssen vorher Feldlinien zum Substrat hin bewegen, wird an Spitzen
über chemische Reaktionswege vormetallisiert werden. und Kanten mehr Material abgeschieden als in Bohrun-
Teilflächen, die nicht beschichtet werden sollen, müssen gen oder Innenecken. Auf rauen Oberflächen lassen sich
abgeklebt oder lackiert werden (Müller 1995). daher kaum glatte Oberflächen erzeugen, und abgerun-
dete Formkörper sind einfacher gleichmäßig zu be-
Bei den thermochemischen Verfahren werden durch schichten als eckige. Durch Variation der Anordnung
chemische Reaktionen ausgelöste Veränderungen der und Form der Elektroden oder mit Hilfe geeigneter
Randschichten von Fertigteilen, die in der Regel aus Abdeckungen lassen sich Unregelmäßigkeiten in den
Eisenwerkstoffen bestehen, erzielt. Zweck der Verfahren Schichten ausgleichen.
ist es meistens, die Erhöhung der Härte und damit der
Dauerfestigkeit von Bauteilen zu verbessern, sozusagen Die Galvanotechnik wird in der Hauptsache für dekorative
als zusätzlicher Verschleiß- und Korrosionsschutz. Über die Beschichtungen und zum Korrosions- und Verschleiß-
angebotenen Ausgangssubstanzen, die Temperatur- und schutz eingesetzt.
Einwirkzeit, das Material des Werkstücks und die Akti-
vierung (Temperatur, Strahlung, Plasma) lassen sich die
Schichteigenschaften einstellen. Am häufigsten werden 2.4.2 Einsatzhärten und Nitrieren
Einsatzhärten und Nitrieren verschiedener Stahlsorten
angewandt. Dazu werden entweder kohlenstoff- oder Ursprünglich wurde das Einsatzhärten für eisenbasierte
stickstoffhaltige Ausgangssubstanzen eingesetzt. Bauteile mit weichem Kern eingesetzt, um diesen eine
(Weißbach 2010) verschleißfestere Oberfläche zu geben. Eines der ältesten
Beispiele ist das Härten von Schwertklingen. Heute wird
das Einsatzhärten auch für die Erhöhung der Dauerfes-
2.4.1 Galvanische Beschichtungen tigkeit eingesetzt.
Beim galvanischen Beschichtungsvorgang werden das Beim Einsatzhärten werden in der Regel zwei Arbeits-
leitfähige Substrat (das zu beschichtende Bauteil) und das gänge benötigt. Zuerst werden die zu härtenden Stähle
metallische Target (das Beschichtungsmaterial) als Elek in einer kohlenstoffreichen Umgebung auf über 900 Grad
troden in einem wässrigen Elektrolyten eingesetzt. Durch Celsius erwärmt, wodurch Kohlenstoff in das Randge-
Anlegen einer Spannung zwischen diesen Elektroden wird füge eindiffundiert. Das Kohlenstoffangebot erfolgt meist
Material aus dem Target ausgelöst und auf dem Substrat durch Zuleitung kohlenstoffhaltiger Pulver, Salze oder
aufgetragen. Je nach Spannungshöhe, geschaltetem Gase. Der Härtevorgang erfolgt danach durch schnelles
Spannungsverlauf, Temperatur und Konzentration des Abkühlen der Bauteile. Bei diesem Abschrecken entsteht
Bades sowie der Dauer des Abscheideprozesses werden ein als Martensit bezeichneter Zustand in der Randzone,
unterschiedliche Schichteigenschaften erreicht. der für die Härtung der Randzone maßgeblich ist. Durch
geeignete Variation des Abschreckungsprozesses kön-
nen die Eigenschaften der Rand- und Kernzone gezielt
eingestellt werden.
+ –
Ist weniger die Oberflächenhärte das Ziel des Vergütungs-
verfahrens, sondern die Erhöhung der Dauerfestigkeit
der Eisenwerkstoffe, so wird eher das Nitrierverfahren
angewendet. Hier werden, wie beim Einsatzhärten, durch
Aufwärmen in einer stickstoffreichen Umgebung und
einer Abkühlphase danach für die jeweilige Anwendung
geeignete Materialänderungen vorgenommen. Zum Nit-
rieren werden Gase, Salze oder stickstoffhaltige Plasmen
Target Substrat eingesetzt. Anwendung finden auch Kombinationen aus
Nitrieren und Einsatzhärten.
Anordnung zur galvanischen Beschichtung (Quelle: VDI TZ).
14 NANO- UND MATERIALTECHNOLOGISCHE LÖSUNGEN FÜR OBERFLÄCHEN3. Oberflächenfunktionalisierungen
Durch verschiedene und spezielle Oberflächenfunktio-
nalisierungen von Werkzeugen und Bauteilen können
ganz neue Eigenschaften erzeugt werden, die höheren
Anforderungen an industrielle Prozesse und Produkte
gerecht werden. Insbesondere aus wirtschaftlicher und
ökologischer Sicht sind innovative Oberflächen von Pro-
dukten vorteilhaft und vielfach auch notwendig.
3.1 Optische Beschichtungen
Durch das Aufbringen von optischen Schichtsystemen
auf Bauelemente kann deren optische Funktionalität
hinsichtlich Farbeffekten, Reflexion, Transmission und
Absorption hergestellt oder verbessert werden. Die
Schichtabscheidung erfolgt häufig in Vakuumprozessen
durch thermische Bedampfungs- und Sputter-Verfahren.
Farbeffekte wie der Perlglanzeffekt lassen sich durch Metalloxid-
3.1.1 Farbeffekte Pigmente für innovative Produkte nutzen (Quelle: iStock/aluxum).
Verschiedene Farbeffekte von Produkten basieren auf Nanomaterialien sind auch als brillante Leuchtstoffe in
bestimmten farbgebenden Materialien wie Farb- und Form von sogenannten Quantenpunkten beziehungs-
Effektpigmenten beziehungsweise entsprechenden weise Quantendots bekannt. Es handelt sich dabei um
Nanomaterialien, die auf Lichtabsorption, -streuung oder fluoreszierende Nanokristalle aus Halbleitermaterialien wie
-reflexion zurückzuführen sind. Diese Materialpartikel Silizium (Si), Cadmiumselenid (CdSe) oder Indiumphos-
werden je nach Anwendung als Additive in verschiedene phid/Zinksulfid (InPZnS), die sich aufgrund der Nano-
Massivwerkstoffe (zum Beispiel Kunststoffe, Keramiken, strukturdimension durch außergewöhnliche quanten-
Kosmetika) oder Funktionsschichten (zum Beispiel Lacke, mechanische Effekte auszeichnen. Diese Quantendots
Druckfarben, Polymerfolien) eingebettet. werden bereits seit einigen Jahren als optische Marker
in der Medizin eingesetzt. Zunehmend werden aus
Bei den Pigmenten, die teilweise auch aus Nanomateria- Quantenpunkten auch Nanoschichten für technische
lien bestehen, wird zwischen Weiß-, Bunt- und Schwarz- Anwendungen, zum Beispiel für Leuchtdioden (LED)
pigmenten sowie Lumineszenz- und Effektpigmenten oder für eine verbesserte Farbwiedergabe von Displays,
(Metallpigmente, Metalloxid/Substrat-Pigmente) unter- hergestellt.
schieden. Der bei den Metalloxid-Substrat-Pigmenten
auftretende besondere Glanz- und Perlmutt-Effekt wird
durch die Wechselwirkung des Lichtes mit der optisch
hochbrechenden Metalloxid-Schicht (zum Beispiel Titan-
dioxid, Eisen(III)oxid) und den optisch niedrigbrechenden
Substratplättchen (unter anderem Glimmer, Siliziumdioxid,
Aluminiumoxid) erzeugt. Auch lassen sich mit Effektpig-
menten Interferenzfarben einstellen, bei denen sich je
nach Betrachtungswinkel die Farbe ändert (sogenannter
Flip-Flop-Effekt).
OBERFLÄCHENFUNKTIONALISIERUNGEN 15Sie können auch lesen
