DE102008042237A1

DE102008042237A1 - Metallische Beschichtung

Info

Publication number: DE102008042237A1
Application number: DE200810042237
Authority: DE
Inventors: Burkhard Goelling
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2028-09-20
Also published as: DE102008042237B4; US9017797B2; US20100080958A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen beschichteten Gegenstand, der mindestens (a) eine Metallschicht, (b) eine Kopplungsschicht, (c) eine innere Polymerschicht und (d) eine Substratoberfläche aufweist, wobei die Kopplungsschicht (c) zwischen den Schichten (a) und (b) angeordnet ist und diese verbindet, wobei die Polymerschicht (c) auf der Substratoberfläche angeordnet (d) ist und wobei die Summe der Durchmesser der Schichten (a) und (b) zwischen 5 nm und 500 nm liegt. Die Erfindung betrifft auch Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung des Gegenstands.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft beschichtete Gegenstände sowie Verfahren und Vorrichtungen zu ihrer Herstellung.
Es besteht ein allgemeines Bedürfnis, Oberflächen vor Abnutzung und Beschädigungen zu schützen. Die Abnutzung und Beschädigung von Oberflächen ist insbesondere problematisch, wenn die Oberflächen eine Funktion erfüllen. Oberflächen von Funktionsmaterialien bestehen häufig aus Beschichtungen, die von Natur aus nicht sehr hart und widerstandsfähig sind. Dies ist beispielsweise der Fall bei mikrostrukturierten Oberflächen, die unter anderem in den technischen Gebieten der selbstreinigenden Oberflächen und bei der Verringerung von Reibungswiderständen von Bedeutung sind.
Mikrostrukturierte Oberflächen werden beispielsweise zur Verringerung des Luftwiderstandes von Fahrzeugen und Flugzeugen eingesetzt. Bei einer sogenannten Riblet-Struktur wird eine Oberfläche mit mikroskopisch kleinen Rippen versehen. Dabei werden Oberflächen aus Metallen, wie Aluminiumlegierungen oder Kohlefasern, mit einem polymeren Lack versehen, der beispielsweise aus Polyurethan besteht. Nach Auftragung des Polymers auf die Oberfläche wird die Mikrostruktur in die Oberfläche geprägt und anschließend der Lack ausgehärtet. Ein solches Verfahren wird in der DE 103 46 124 A1 beschrieben. Mit derartigen Beschichtungen ist es möglich, den Luftreibungswiderstand um etwa 8–10% zu senken.
Die bekannten mikrostrukturierten Oberflächen auf der Basis von organischen Polymeren weisen den Nachteil auf, dass sie bei Belastungen nicht oder nur wenig widerstandsfähig sind. Mechanische Belastungen treten beispielsweise beim üblichen Gebrauch auf, wie beim Auftreffen von Schmutz und sonstigen Partikeln, Regen, Hagelkörnern, Eiskristallen, Kontakt mit anderen Gegenständen oder Flüssigkeiten, oder bei Kontakt mit Wasser oder flüssigen und festen Reinigungsmitteln bei Reinigungsprozessen. Untersuchungen haben gezeigt, dass nach einer üblichen mechanischen Beanspruchung einer polymerbasierten Riblet-Struktur die Reduktion des Widerstandes von 8–10% auf etwa 4% sinkt. Mikroskopisch konnte gezeigt werden, dass die Verringerung der ursprünglichen Widerstandsminderung mit der Beschädigung, Deformation und Ausbrechen von Teilen aus den Rillen der Riblet-Struktur einhergeht. Beschädigungen können auch bei thermischer und chemischer Beanspruchung entstehen. Bei fortgesetzter mechanischer Beanspruchung kann sich der positive Effekt der Widerstandsre duktion sogar umkehren und zu einer Erhöhung des Reibungswiderstandes insbesondere im Vergleich zu einer glatten, nicht strukturierten Oberfläche führen.
Eine besonders deutliche Verringerung des Reibungswiderstandes wird mit Riblet-Strukturen erreicht, die sehr dünne, ”spitze” Erhebungen auf der Oberfläche aufweisen. Gerade solche Strukturen werden jedoch mechanisch besonders leicht beschädigt, so dass die praktische Anwendung oft nicht möglich oder effizient genug ist. Somit wird nach dem Stand der Technik aus Stabilitätsgründen die gewünschte Widerstandsreduzierung erreicht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beschichtete Gegenstände und Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen, die die genannten Probleme überwinden. Erfindungsgemäß sollen Beschichtungen bereitgestellt werden, die eine hohe Stabilität bei mechanischen Belastungen aufweisen.
Die Beschichtungen sollen zudem auf einfache Weise gleichmäßig auftragbar sein. Gegebenenfalls soll das Verfahren mit vorangehenden Verfahren der Lackbeschichtung anwendbar sein. Das Verfahren soll es auch ermöglichen, große Bauteile wie Oberflächenteile von Flugzeugen oder Fahrzeugen zu beschichten. Die beschichteten Gegenstände sollen eine hohe Randhärte, Abriebfestigkeit und Kratzfestigkeit aufweisen. Die Oberflächen sollen möglichst rissfrei sein und keine Grate auf den Spitzen der Mikrostruktur aufweisen. Die Schlagzähigkeit bei mechanischer Einwirkung von Mikro- bis millimetergroßen Partikeln, wie zum Beispiel Sandkörnern, soll gewährleistet sein.
Die Beschichtung soll zudem fest und stabil an dem Gegenstand anhaften. Erfindungsgemäß soll auch die Herstellung beschichteter Gegenstände mit spezieller Oberflächentopologie, wie extremen Flanken und Spitzen, möglich sein. Die erfindungsgemäßen Gegenstände sollen insbesondere in hohem Maße stabile und effiziente funktionale Mikrostrukturierungen aufweisen.
Zudem soll die Beschichtung eine hohe chemische Beständigkeit, insbesondere Korrosionsbeständigkeit, sowie Beständigkeit gegen Säuren und Basen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll zudem umweltfreundlich und wirtschaftlich sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist ein beschichteter Gegenstand, der mindestens

(a) eine Metallschicht,
(b) eine Kopplungsschicht,
(c) eine innere Polymerschicht, und
(d) eine Substratoberfläche aufweist,

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Metallschicht (a) Cobalt, Kupfer, Wolfram, Molybdän und/oder Chrom auf. Die Metallschicht bildet in einer Ausführungsform der Erfindung die äußere Schicht des beschichteten Gegenstandes. Sie bewirkt somit den Schutz gegen mechanische Einflüsse. Sie kann auch aus einer Metalllegierung bestehen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Schicht mit Zusatzstoffen versetzt oder dotiert, um die Eigenschaften zu verbessern. Vorzugsweise enthält die Metallschicht zu mehr als 80%, 95%, 98% oder 99% Metalle. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht sie vollständig aus Metall. Die Metallschicht (a) wird in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Plasmabehandlung aufgetragen. Die Dicke der Metallschicht liegt vorzugsweise zwischen 2 nm und 400 nm, insbesondere zwischen 5 nm und 200 nm oder zwischen 10 nm und 100 nm. Sofern der Gegenstand eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist, wird die Dicke der Metallschicht so ausgewählt, dass die Oberflächenstruktur möglichst wenig verändert wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zusätzlich auf der Metallschicht (a) eine Deckschicht (a0) vorhanden. Die Deckschicht kann dazu dienen, eine Korrosionsbeständigkeit oder nachhaltige chemische Beständigkeit der Metallschicht (a) zu erreichen. Die Deckschicht besteht beispielsweise aus SiO₂. Die Schichtdicke kann zwischen 10 nm bis 200 nm betragen.
Dabei erfolgt das Auftragen der Deckungsschicht (a0) wie zuvor die Metallschicht (a) bevorzugt in einem Plasmaverfahren. Diese Metallschicht wird dafür vorher oder gleichzeitig aktiviert, um eine effiziente Bindung zwischen Metallschicht und SiO₂ als Deckschicht zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Kopplungsschicht (b) ein Metalloxid auf. Die Kopplungsschicht verbindet die Polymerschicht (c) mit der Metallschicht (a). Als Metalloxide werden bevorzugt Titanoxide wie TiO, TiO₂, Ti₂O₃ oder Siliziumoxid (SiO₂) oder eine Kombination von Titanoxid und Siliziumoxid eingesetzt. Das Material wird so ausgewählt, dass sowohl eine stabile Bindung zur Polymerschicht als auch zur Metallschicht erreicht wird. Dabei erfolgt das Auftragen der Kopplungsschicht (b) bevorzugt in einem Plasmaverfahren, bei dem vorher oder gleichzeitig die darunterliegende Polymerschicht (c) aktiviert wird. Die Schichtdicke liegt bevorzugt zwischen 2 nm und 400 nm, insbesondere zwischen 5 nm und 200 nm oder zwischen 10 nm und 100 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Kopplungsschicht eine Polyurethan und die Kopplungsschicht ein Titanoxid. Das Titanoxid ist dann kovalent über Ti-O-C oder direkte Ti-C Bindungen mit dem Polyurethan verbunden.
Die Kopplungsschicht (b) kann Zusatzstoffe enthalten, die die Haftung verbessern. Beispielsweise kann ein Metalloxid mit einem Anteil an Metallen vermischt werden. In bevorzugten Ausführungsformen besteht die Kopplungsschicht (b) zumindest 50, 80, 90 oder 95% aus Metalloxiden.
Die Polymerschicht besteht bevorzugt aus einem organischen Polymer. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die innere Polymerschicht (c) ein Polyurethan, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyepoxid, Polysilikon oder ein Copolymer davon auf. Die Bindung an die anliegende Kopplungsschicht (b) erfolgt vorzugsweise durch kovalente chemische Bindungen. Bevorzugt wird die Polymerschicht nach dem Auftragen vernetzt, beispielsweise durch Strahlung (UV). Es ist bevorzugt, dass die Polymerschicht (c) vor dem Auftragen der Kopplungsschicht (b) aktiviert wird. Daher weist die Polymerschicht in einer bevorzugten Ausführungsform an dem Polymergrundgerüst reaktive Gruppen auf, die in üblichen Verfahren, beispielsweise bei einer Plasmabehandlung, aktivierbar sind. Geeignet sind beispielsweise Halogen-Substituenten, wie Fluor oder Chlor, Hydroxy-, Säure-, Ester-, Nitril-, Amin-, Sulfid-, Sulfon- oder Carbonylgruppen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die innere Polymerschicht (c) eine Mikrostruktur auf. Die Mikrostruktur ist beispielsweise eine Riblet-Struktur oder eine selbstreinigende Struktur. Solche Mikrostrukturen können nach bekannten Verfahren erzeugt werden. Ein Verfahren zur Erzeugung mikrostrukturierter Oberflächen wird beispielsweise in der DE 103 46 124 A1 beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Die darin beschriebenen Riblet-Oberflächen weisen einen geringen Strömungswiderstand auf und verbessern so die Geschwindigkeit von mobilen Objekten und deren Energieverbrauch. Bekannte Riblet- Strukturen weisen beispielsweise Dreieck-, Trapez- oder U-Form Strukturen auf. Die Höhe und der Abstand der Rillen/Erhebungen kann beispielsweise zwischen 5 und 500 μm liegen.
Mikrostrukturierte Oberflächen mit selbstreinigenden Eigenschaften weisen eine Lotusblattstruktur auf oder sind von dieser abgeleitet. Sie sind resistent oder immun gegen Verschmutzungen und Bewuchs. Gemäß DE 103 46 124 A1 wird eine mikrostrukturierte Oberfläche mit einem Werkzeug erzeugt, das eine Matrize aufweist, die ein Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur ist. Die Mikrostruktur wird mit einer verfahrbaren Andruckwalze in eine Oberfläche gepresst. Dabei wird bevorzugt ein Polymerfilm verwendet, der nach Einpressen der Mikrostruktur ausgehärtet wird.
Die Schichtdicke der Polymerschicht ist vorzugsweise zwischen 1 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 2 μm und 500 μm. Falls Mikrostrukturen vorhanden sind, so bezeichnet die Schichtdicke die Dicke an den maximalen Vertiefungen der Struktur. Die maximalen Erhebungen der Strukturen können beispielsweise 10 μm bis 1000 μm, insbesondere 20 μm bis 400 μm, betragen.
Die innere Polymerschicht (c) ist nach bekannten Verfahren auf einer Substratoberfläche (d) aufgetragen. Der Begriff ”Substratoberfläche” bezeichnet erfindungsgemäß allgemein die Oberfläche eines Gegenstandes, der mit den Schichten (a) bis (c) bzw. (a0) bis (c) versehen ist. Die Substratoberfläche (d) kann beispielsweise aus Metallen, wie Aluminiumlegierungen, glasfaserverstärktem Aluminium (GLARE), Stahl oder Kohlefasern bestehen. Bei solchen Verfahren wird häufig zunächst das Substrat gereinigt und mit mindestens einer Primer-Schicht versehen. Für spezielle Anwendungen, beispielsweise im Flugzeugbau, können auch zwischen der Polymerschicht und dem Substrat Zwischenschichten enthalten sein, welche die verbesserte und dauerhaft stabile Anhaftung gewährleisten. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Polymerschichten die durch Nanopartikel wie z. B. TiO, SiO2 in ihren Eigenschaften zur Bindung an Verbindungsschichten verbessert werden und durch in-situ Verfahren hergestellt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen beschichteten Gegenstandes, wobei die Deckschicht (a0), die Metallschicht (a) und die Kopplungsschicht (b) durch eine Plasmabehandlung aufgetragen werden. Bei einer solchen Plasmabehandlung wird eine Beschichtung erzeugt, indem ein verdampftes Material auf eine Oberfläche abgeschieden wird. Bei einer Plasmabehandlung kann auch die Oberfläche aktiviert werden, die beschichtet wird. Auf diese Weise wird eine reaktive Oberfläche erzeugt, die eine chemische Bindung zu dem Beschichtungsmaterial ausbildet. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, die innere Polymerschicht (c) in einer Plasmabehandlung zu aktivieren. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Polymerschicht aktivierbare Gruppen, wie Hydroxygruppen oder Halogensubstituenten aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Polymerschicht zusätzlich mit Nanopartikeln der oben beschriebenen Art dotiert.
Die Plasmabehandlung kann in einem üblichen Plasmaverfahren unter Verwendung eines Plasmagenerators durchgeführt werden. Dabei kann ein Niederdruckplasma, ein Hochdruckplasma oder ein Atmosphärendruckplasma eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, ein Atmosphärendruckplasma einzusetzen. Insbesondere bei großen Bauteilen und bei industrieller Fertigung ist der Einsatz eines Atmosphärendruckplasmas deutlich einfacher. Als Arbeitsgas können übliche Gase, wie Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid oder Kohlenwasserstoffe oder Mischungen dieser Gase eingesetzt werden. Bevorzugt wird das Werkstück einem Plasmastrahl ausgesetzt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte auf:

(A) Bereitstellung eines Gegenstandes mit mindestens einer äußeren Polymerschicht (c),
(B) Aktivierung der Polymerschicht (c),
(C) Auftragen der Kopplungsschicht (b) auf Polymerschicht (c) und
(D) Auftragen der Metallschicht (a) auf die Kopplungsschicht (b), und gegebenenfalls
(E) Auftragen einer finalen, äußeren Deckschicht (a0) auf die Metallschicht (a),

Der Schritt (B), bei dem die Aktivierung der Polymerschicht (C) durch eine Plasmabehandlung erfolgt, dient gleichzeitig zur Reinigung der Oberfläche. Als Arbeitsgas ist beispielsweise Argon, ggf. mit einer Beimischung von CO_x-Gas, geeignet. Die Beschichtung mit der Kopplungsschicht in Schritt (C) erfolgt je nach dem eingesetzten Material bei erhöhter Temperatur von beispielsweise 2000 bis 3500 Kelvin, insbesondere 2500 bis 3300 Kelvin. Das Kopplungsmaterial wird auf der Polymerschicht (c) abgeschieden und geht bevorzugt mit dieser eine chemische Bindung ein. Bei dem Auftragen der Metallschicht in Schritt (D) wird je nach dem eingesetzten Metall die erforderliche Temperatur eingestellt. Üblich sind beispielsweise Temperaturen zwischen 2500 und 3800 Kelvin, insbesondere zwischen 2800 und 3600 Kelvin.
Die Dicke der Schichten kann eingestellt werden, indem die Intensität, Zeit und Raumwinkelprojektion des Plasmastrahls kalibriert werden. Die Kontakttemperatur auf der Oberfläche des Polymers (c) wird so eingestellt, dass eine physikalische Veränderung der Polymeroberfläche, die über die Aktivierung hinausgeht, vermieden wird. Insbesondere darf nicht eine Beschädigung von möglicherweise vorhandenen Mikrostrukturen erfolgen. Die Kontakttemperatur auf der Polymeroberfläche wird beispielsweise geringer als 390 Kelvin eingestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vor Schritt (A) in einem Schritt (A0) eine Substratoberfläche (d) des Gegenstands mit der Polymerschicht (c) versehen. Dabei wird das Polymer aus einer Austragsvorrichtung auf die Substratoberfläche aufgetragen und gleichmäßig verteilt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach Schritt (A0) vor Schritt (A) in einem Schritt (A1) die Polymerschicht mit einer Mikrostruktur versehen. Dies kann beispielsweise mit einer Prägevorrichtung geschehen. Die Polymerschicht wird anschließend ausgehärtet, beispielsweise durch UV-Bestrahlung oder eine thermische Behandlung. Die Prägevorrichtung ist beispielsweise eine Walze. Solche Vorrichtungen werden beispielsweise in der DE 103 46 124 A1 beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren mit den Schritten (A) bis (D) bzw. (E) sowie der Herstellung der Polymerschicht und ggf. Erzeugung einer Mikrostruktur in den Schritten A0 und A1 in einem einzigen kontinuierlichen Verfahren durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass Arbeitsschritte für den Transport eingespart werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstands nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend

(i) eine Austragseinheit zur Erzeugung der Polymerschicht (c),
(ii) eine Prägevorrichtung zur Erzeugung einer Mikrostruktur in der Polymerschicht (c),
(iii) Mittel zum Aushärten der Polymerschicht (c),
(iv) einen Plasmastrahlgenerator und
(v) eine Vorschubeinrichtung.

Die Vorschubeinrichtung (v) bewirkt beispielsweise, dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung relativ zu einer fixierten zu beschichtenden Oberfläche bewegt. Alternativ ist eine Ausführungsform möglich, bei der die zu beschichtende Oberfläche eine fixierte Vorrichtung durchläuft. Das Mittel zum Aushärten ist beispielsweise ein UV-Strahler oder eine Einrichtung zum vorübergehenden Erwärmen.
Der Plasmagenerator umfasst Mittel zur Materialvorbereitung zur Bestrahlung durch das Plasma. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Plasmastrahlgenerator (v) so eingestellt, dass er eine Aktivierung der Polymeroberfläche (c), eine anschließende Beschichtung mit der Kopplungsschicht (b) und eine anschließende Beschichtung mit der Metallschicht (a) und ggf. die finale Beschichtung mit der Deckschicht (a0) bewirkt.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Gegenstand ein Fluggerät, Kraftfahrzeug, Zug, Schiff, Windrad, Rohrteil, oder ein Bauteil davon. Die Beschichtung eignet sich besonders für Oberflächen, die turbulent überströmt werden. Dies sind beispielsweise Flügel, Rumpf, Nacelle und Leitwerk von Flugzeugen und Karosserien von Kraftfahrzeugen. Vor der Beschichtung mit den Schichten (a0), (a), (b) und (c) weist der Gegenstand eine Substratoberfläche (d) auf.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Substratoberfläche (d) eine Abdeckfolie. Der erfindungsgemäße Gegenstand ist kann dann nach Abtrennung der Abdeckfolie auf einen zu beschichtenden Gegenstand aufgetragen werden.
Der beschriebene Aufbau eines beschichteten Gegenstandes aus einer Substratoberfläche, einer inneren Polymerschicht, einer Kopplungsschicht und einer Metallschicht entspricht dem einfachsten Aufbau einer erfindungsgemäßen Beschichtung. Erfindungsgemäß ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass weitere Maßnahmen getroffen werden, die beispielsweise die Haftung oder die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Laminats verbessern. So können beispielsweise vor Auftrag einer Beschichtung Primer-Schichten eingesetzt werden, die die Haftung verstärken. Primer-Schichten sind insbesondere bevorzugt, um die Substratoberfläche (d) mit der inneren Polymerschicht (c) zu verbinden. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn verschiedenartige Materialien mit unterschiedlicher Reaktivität verbunden werden, beispielsweise eine Substratoberfläche aus Aluminium mit einer Polymerschicht aus Acrylat oder Polyurethan.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, eine Schicht in zwei oder mehr Schritten aufzutragen. So umfasst die Erfindung Ausführungsformen, bei denen die Metallschicht (a) aus einer unteren Schicht (a1) aus einem ersten Metall und einer äußeren Schicht (a2) aus einem weiteren Metall zusammengesetzt ist. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn eine Metallschicht lokal aufgetragen wird, um leitfähige Strukturen oder Signaturen zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Kopplungsschicht aus mindestens zwei Kopplungsschichten (b1) und (b2) aufgebaut sein, beispielsweise wenn durch die Auswahl verschiedener Kopplungsmaterialien die Stabilität verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gegenstand mit einer mikrostrukturierten Lackschicht auf Polyurethanbasis eingesetzt. Das Werkstück mit ionisiertem Argon unter Beimischung von Kohlenwasserstoffen gereinigt, wodurch gleichzeitig die Aktivierung des Oberflächenlacksystems erfolgt. In einem folgenden Schritt wird die Kopplungsschicht auf den Polyurethanlack aufgebracht. Dabei wird Titandioxid bei etwa 3000 Kelvin verdampft und im Plasmastrahl auf der Oberfläche abgeschieden. In einem folgenden Verfahrensschritt wird die äußere Metallschicht aufgetragen. Dabei wird Kobalt bei 3200 Kelvin im Plasma verdampft und auf der Titandioxidschicht abgeschieden. Das mikrostrukturierte Substrat zeigt eine verbesserte Oberflächentopologie. Außerdem wird ein verbessertes Widerstandsverhalten gegenüber mechanischen Einwirkungen erreicht. Dies ist in Sandstrahltests mit Korngrößen im Bereich der Mikrostrukturierung unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich auch zur Beschichtung gekrümmter Bauteile und Oberflächen, wie zum Beispiel Rumpfzellen eines Verkehrsflugzeuges. Dabei erfolgt die Erzeugung der Mikrostruktur in einer Prägevorrichtung durch Rotation, zum Beispiel auf einer Walze. Die Negativform ist auf einer flexiblen Fläche, zum Beispiel einer Polyamidfolie, montiert und gibt entsprechend der Krümmung des Objektes nach. Sie prägt somit die Form der Mikrostruktur in die zuvor aufgebrachte Lackschicht. Danach erfolgt die Aushärtung der Polymerschicht, beispielsweise durch Vorbestrahlung, und die weitere Beschichtung im Plasmaverfahren. Das Verfahren zur Prägung und Beschichtung gekrümmter Oberflächen ist schematisch in 3 dargestellt.
Insgesamt löst der erfindungsgemäße Gegenstand die gestellte Aufgabe. Es werden Beschichtungen erhalten, die eine hohe Abriebfestigkeit und Kratzfestigkeit der Oberfläche bewirken. Die Oberfläche ist auch beständig gegen Risse und mechanische Belastungen, wie Schläge oder Sandkörner. Die Stabilisierung der Oberfläche erlaubt die Verwendung von Mikrostrukturen mit ”spitzen” Strukturen, ggf. im Nanometerbereich, die ohne die Beschichtung zu instabil gegenüber mechanischen Belastungen wären.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem auf einfache Weise als integriertes Verfahren durchführbar. Ein Werkstück kann in einem einzigen Verfahren, das nur einmal durchlaufen wird, mit einer Mikrostrukturierung und einer Schutzbeschichtung versehen werden. Das Ver fahren ist wirtschaftlich und umweltfreundlich, da sämtliche Schritte in einer Verfahrensumgebung erfolgen und ein Transport von Zwischenprodukten nicht erforderlich ist.
Wie ausgeführt eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur gleichmäßigen Beschichtung von Mikrostrukturen mit Schutzschichten im Nanometerbereich. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, glatte Oberflächen oder Oberflächen mit Makrostrukturen zu beschichten. Im Flugzeugbereich kann so erfindungsgemäß beispielsweise die Beschichtung der Oberfläche von Hinterkantenklappen erfolgen, die beim Wiedereinfahren nach erfolgtem Start oder Landung gegen den unteren, hinteren Bereich des Flügelkastens stoßen und so mechanisch belastet werden. Durch die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung lässt sich die Haltbarkeit solcher Bauteile und Funktionsoberflächen nachhaltig verbessern. Die Wartungskosten können gesenkt werden und die Lebensdauer der Bauteile verlängert werden.
Die erfindungsgemäße Beschichtung eignet sich auch zur Herstellung von elektronischen Einheiten, wie Sensoren, Aktuatoren, Antennen oder anderen elektronisch betriebenen Einheiten und/oder Systemen. Insbesondere bei solchen Gegenständen ist es erfindungsgemäß von Vorteil, die Metallschicht oder einen Teil davon zu strukturieren und dadurch elektrische Leiterbahnen zu erzeugen.
Die Metallschicht kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch so aufgebracht werden, dass der finale Gegenstand, beispielsweise ein Flugzeug oder ein Fahrzeug, als Faradayscher Käfig gegen Blitze geschützt im Sinne der Blitzableitung an der Oberfläche z. B. des Flugzeugs wird. Nach dem Stand der Technik ist es bei Flugzeugen erforderlich, äußere Bauteile aus Kohlefasern mit Kupferleitungen gegen Blitzeinschlag zu schützen. Die erfindungsgemäß Metallbeschichtung bewirkt somit gleichzeitig einen mechanischen Schutz als auch einen Schutz gegen Blitzeinschläge durch Ausbildung eines Faradayschen Käfigs.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die metallische Schicht (a), ggf. in Kombination mit der finalen Deckschicht (a0), so aufgetragen, das eine Radiosignatur erzeugt wird. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtungen im Flugzeugbereich ist es so möglich, mit geeigneten metallischen Materialien die Radiosignatur eines fliegenden Objektes, wie eines bemannten oder unbemannten Flugzeuges, einzustellen, zu verändern oder gezielt zu manipulieren. So können andere Signaturen nachgeahmt, modelliert oder gegenüber der Ursprungsradiosignatur verändert werden, so dass die eigene Signatur unkenntlich gemacht wird.
Die erfindungsgemäße metallische Oberflächenbeschichtung ist auch als Schutzschicht, beispielsweise gegen Säuren oder Basen, geeignet. Sie kann somit gezielt dort eingesetzt werden, wo elektronische Systeme vor der Wirkung von Flüssigkeiten geschützt werden müssen, beispielsweise im Bereich von Hydraulikflüssigkeiten oder Batterieflüssigkeiten.
Von den Figuren zeigen:
1 zeigt einen Querschnitt eines beschichteten Gegenstandes der Erfindung mit einer Substratoberfläche (1), einer Polymerschicht (2) mit Mikrostrukturen (5), einer Kopplungsschicht (3) und einer n Metallschicht (4). Die Schichtdicken sind hier rein schematisch angegeben und entsprechen nicht den wirklichen Verhältnissen. Erfindungsgemäß liegen die Dicken der Kopplungsschicht (4) und Metallschicht (5) bevorzugt im Nanobereich, während die Dicke der Polymerschicht (2) bevorzugt im Mikrobereich liegt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für ein integriertes erfindungsgemäßes Plasmastrahlverfahren mit einer Austragseinheit (6), einer Prägeeinrichtung (7), Mitteln zum Aushärten der Polymerschicht (8) und einem Plasmastrahlgenerator (9) zur Beschichtung einer Oberfläche (12).
3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Prozesses bei der Beschichtung gekrümmter Oberflächen mit einer Prägevorrichtung (7) und einer zu beschichtenden Oberfläche (12). In der Figur ist schematisch der Krümmungsradius (13) und die Revolution der Prägevorrichtung (14) gezeigt.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

1: Substratoberfläche
2: innere Polymerschicht
3: Kopplungsschicht
4: Metallschicht
5: Mikrostruktur
6: Austragseinheit
7: Prägeeinrichtung
7a: Flexible Oberfläche der Prägevorrichtung mit Negativform
8: Mittel zum Aushärten der Polymerschicht
9: Plasmastrahlgenerator
10: Vorschubeinrichtung
11: beschichteter Gegenstand
12: zu beschichtende Oberfläche
13: Krümmungsradius
14: Revolution der Prägevorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10346124 A1 [0003, 0021, 0022, 0031]

Claims

Beschichteter Gegenstand, der mindestens (a) eine Metallschicht, (b) eine Kopplungsschicht, (c) eine innere Polymerschicht, und (d) eine Substratoberfläche aufweist wobei die Kopplungsschicht (b) zwischen den Schichten (a) und (c) angeordnet ist und diese verbindet, wobei die Polymerschicht (c) auf der Substratoberfläche angeordnet (d) ist, und wobei die Summe der Durchmesser der Schichten (a) und (b) zwischen 5 und 500 nm liegt.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht (a) Cobalt, Kupfer, Wolfram, Molybdän und/oder Chrom aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kopplungsschicht (b) ein Metalloxid aufweist.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymerschicht (c) ein Polyurethan, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyepoxid, Polysilikon oder eine Copolymer davon aufweist.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere Polymerschicht (c) eine Mikrostruktur aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 5, wobei die Mikrostruktur eine Riblet-Struktur oder eine selbstreinigende Mikrostruktur ist.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (c) leitfähige Strukturen aufweist.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich auf der Metallschicht (a) eine Deckschicht (a0) vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (a) und/oder die Kopplungsschicht (b) durch eine Plasmabehandlung aufgetragen werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, das die folgenden Schritte aufweist: (A) Bereitstellung eines Gegenstandes mit mindestens einer äußeren Polymerschicht (c), (B) Aktivierung der Polymerschicht (c), (C) Auftragen der Kopplungsschicht (b) auf Polymerschicht (c) und (D) Auftragen der Metallschicht (a) auf die Kopplungsschicht (b), (E) gegebenenfalls Auftragen einer Deckschicht (a0) auf die Metallschicht (a), wobei die Schritte (B) bis (E) mit einer Plasmabehandlung erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei vor Schritt (A) in einem Schritt (A0) eine Substratoberfläche (d) des Gegenstands mit der Polymerschicht (c) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei nach Schritt (A0) vor Schritt (A) in einem Schritt (A1) die Polymerschicht mit einer Mikrostruktur versehen wird.
Gegenstand nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 oder Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Gegenstand ein Fluggerät, Fahrzeug, Zug, Schiff, Windrad, Rohrteil oder ein Bauteil davon ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstands nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit (i) einer Austragseinheit zur Erzeugung der Polymerschicht (c); (ii) einer Prägeeinrichtung zur Erzeugung einer Mikrostruktur in der Polymerschicht (c); (iii) Mittel zum Aushärten der Polymerschicht (c); (iv) einem Plasmastrahlgenerator und (v) einer Vorschubeinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Plasmastrahlgenerator (v) so eingestellt ist, dass er eine Aktivierung der Polymeroberfläche (c), eine anschließende Beschichtung mit der Kopplungsschicht (b), eine anschließende Beschichtung mit der Metallschicht (a) und gegebenenfalls eine anschließende Beschichtung mit der Deckschicht (a0) bewirkt.