DE102010014552A1

DE102010014552A1 - Verfahren zur Plasmabeschichtung einer Substratoberfläche mit Beschichtungsflüssigkeit

Info

Publication number: DE102010014552A1
Application number: DE102010014552A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-04-10
Publication date: 2011-09-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche (4) mit Feststoffpartikel aus einer homogenen Beschichtungsflüssigkeit. Dabei wird ein Plasmastrahl (2) eines Niedertemperaturplasmas auf die Substratoberfläche (4) gerichtet. Zum Erzeugen einer flächigen Beschichtung wird der Plasmaerzeuger (1) über die Substratäche (4) bewegt sich im Plasmastrahl (2, 17). Dem Plasmastrahl (2) wird hierbei eine Beschichtungsflüssigkeit, bestehend aus Trägerflüssigkeit und feinkörnigem Pulver oder einem Flüssigkeitsgemisch mit Feststoffanteilen, in genau dosierter Menge zugefügt. Dabei gehen die Feststoffanteile aus der Beschichtungsflüssigkeit mit der Oberfläche eine haftende Verbindung ein. Vorteilhaft ist die Korngröße der Feststoffanteile bzw. des beigemischten feinkörnigen Pulvers oder der beigemischten Pulvermischungen in der Beschichtungsflüssigkeit im Nanometerbereich zwischen 1 Nanometer und 100 Mikrometer. Damit können die Feststoffanteile gut haftend und mit einer hohen Lebensdauer auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche unter Verwendung eines Plasmastrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 10.
Die bekannteste Arte einer Plasmabeschichtung ist das Thermische Spritzen bzw. das Plasmaspritzen. Grundsätzlich wird das Plasmaspritzen dabei an der Atmosphäre, im Vakuum, unter Wasser und unter Gasdruck durchgeführt. Mittels einer Pistole wird die hohe thermische Energie und die hohe Geschwindigkeit des Plasmas umgewandelt in hohe kinetische Energie geschmolzener Pulverpartikel. Mit diesen Partikeln werden die entsprechenden Werkstücke und Bauteile dann mit hoher Präzision beschichtet. Dabei herrschen im Kern des austretenden freien Plasmastrahles Temperaturen bis zu 30.000°C. Die Plasmastabilisierung findet hierbei durch hohe Stromstärken (> 200 A) und einfach zu ionisierende Gase statt. Ein derartiges Plasma bedingt eine hohe Temperaturbelastung des zu beschichtenden Bauteiles. Findet der Beschichtungsvorgang unter Atmosphäre statt, oxidieren außerdem metallische Beschichtungswerkstoffe teilweise. Daher ist der Verwendungsbereich sehr eingeengt. Die Beschichtung und/oder Verarbeitung niedrigschmelzender Werkstoffe ist, wenn überhaupt, nur durch äußerst aufwendige Prozessführung und dem Einsatz starker Kühlung möglich.
In der Druckschrift WO 03/029762 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zuführung dosierter Mengen eines feinkörnigen Schüttgutes erläutert. Es ist außerdem erwähnt, dass mit einer solchen Vorrichtung Stoffe dosiert und unter Druck in einen Beschichtungsprozess, z. B. Plasma-Pulver-Auftragsschweißen, und anderen zugeführt werden können, was als allgemeiner Hinweis zu verstehen ist. In der Druckschrift WO 01/32949 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen erläutert, bei dem mit Hilfe eines Plasmas ein Precursormaterial zur Reaktion gebracht und das Reaktionsprodukt dann auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden wird. Dieses Precursormaterial, sei es flüssig und/oder fest, wird getrennt vom Arbeitsgas in den Plasmastrahl eingespeist. Sobald, wenn eine Reaktion des eingeleiteten Materials stattfinden soll, muss eine ausreichende Erhitzung des Precursormaterials erzielt werden.
Neuere Techniken basieren auf einer Beschichtungsmethode mit Niedertemperaturplasmen. Hier wird dem kaltaktiven Plasmastrahl feinkörniges Pulver mit Mikro- und Nanokorngrößen direkt zugegeben und auf die Oberfläche aufgetragen. Mit diesem Verfahren wird auf Grund der niedrigen Temperatur des Niedertemperaturplasmas eine Oxidation der Oberfläche weitgehendst unterbunden und auch eine Beschichtung und/oder Verarbeitung niedrigschmelzender Werkstoffe ist durchaus möglich. Problem bei diesem Verfahren ist jedoch die Pulverzufuhr zum Plasmaerzeuger. Pulver in dieser Korngröße lässt sich äußerst schwer fördern und bringt zusätzlich eine gesundheitliche Gefahr mit sich. Zum einen sind Partikel dieser Größenordnung evtl. äußerst gesundheitsgefährdend, zum anderen herrscht durch die Pulververteilung im Raum erhöhte Vorsicht vor Staub-Explosionen.
In der Druckschrift WO 2005/031026 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen erläutert, bei dem über einen Plasmaerzeuger mit Niedertemperaturplasma feinkörniges Pulver im Nanobereich mittels eines steuerbaren Pulverförderers zugeführt wird. Hier wird neben der Plasmabeschichtung als Hauptaugenmerk auf den Pulverförderer und dem zu transprotierenden feinkörnigen Pulver eingegangen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mittels welchem gut haftende Schichten auf Metall, Glas, Keramik, Kunststoff, Papier oder andere Substratoberflächen aufgetragen werden können und zudem die bekannten Gefahrenpotentiale wie Schädigung der Gesundheit und Explosionsgefahr minimiert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Bevorzugte Weitergestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung 1 näher erläutert.
1 schematisches Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt einen an sich bekannten Plasmaerzeuger (1) zur Erzeugung eines freien Plasmastrahls (2), der aus einer unteren Düsenöffnung (3) des Plasmaerzeugers (1) austritt und auf eine Substratoberfläche (4) gerichtet ist. Zum Erzeugen einer flächigen Beschichtung wird der Plasmaerzeuger (1) über die Substratoberfläche (4) bewegt (18) oder die Substratoberfläche (4) bewegt sich im Plasmastrahl (2, 17). Der Plasmaerzeuger (1) weist üblicherweise ein langgestrecktes, rohrförmiges Gehäuse auf, das im unteren Bereich (6) zu einer verengten Düsenöffnung (3) endet. Der Plasmaerzeuger (1) ist geerdet und bildet mit der Düsenspitze zum Beispiel eine Außenelektrode. Ein primäres Ungleichgewichts-Plasma wird innerhalb des Plasmaerzeugers mit niedriger elektrischer Leistung (< 5 kW) wird innerhalb des Plasmaerzeugers (1) durch hochfrequenten Wechsel- oder Gleichstrom (> 10 kHz) ein RF-Plasma, eine direkte Hochspannungsentladung, eine Coronabarriereentladung, eine Bogenentladung oder Ähnliches erzeugt. In den Plasmaerzeuger (1) wird Arbeitsgas (7) zur Erzeugung des Plasmas strömungstechnisch so eingeleitet, dass dadurch das primäre Plasma (8) stabilisiert wird.
Als Arbeitsgas bzw. Plasmagas wird aus Kostengründen vorzugsweise Luft, Stickstoff oder auch Wasserdampf eingesetzt. Dem Gas, z. B. Luft, können bei Bedarf noch z. B. Stickstoff, Kohlenstoff, Methan oder Edelgase beigemischt werden. Diese anderen Gase können jedoch auch in reiner Form oder in Mischungen verwendet werden. Auch sind Dämpfe anderer Flüssigkeiten in reiner Form oder in Mischungen als Plasmagas zu verwenden.
Der austretende atmosphärische Plasmafreistrahl (2) zeichnet sich insbesondere durch eine niedrige Temperatur (50°C bis 1.000°C) und geringe geometrische Ausdehnung aus. Erfindungsgemäß wird nun dem freien Plasmastahl (2) die homogenisierte Beschichtungsflüssigkeit in genau dosierter Menge in Abhängigkeit von Beschichtungsgeschwindigkeit, Beschichtungsbreite, Beschichtungsdicke und Substratoberfläche fein zerstäubt (9) zugeführt. Dort wird infolge der Wechselwirkung mit dem Plasma Energie in die Beschichtungsflüssigkeit eingebracht. Die Fluidanteile werden in Gasanteile umgewandelt und verflüchtigen sich in der Umgebung und die Festkörperanteile werden auf- oder nur angeschmolzen und in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche beschleunigt, wo es sich letztlich haftend niederschlägt. Die Beschichtungsflüssigkeit wird in einem Homogenisierungsbehälter (15) homogenisiert, z. B. mittels Rührtechnik, und als homogene Beschichtungsflüssigkeit über ein Pump- und Dosiersystems (16) wahlweise in das sekundäre Plasma oder auch primäre Plasma mittels einer Zerstäuberdüse oder Sprühdüse als Feinstpartikel eingeleitet.
Das Niedertemperaturplasma zeichnet sich dadurch aus, dass das nach Ausbildung eines elektrisch oder elektromagnetisch erzeugten primären Ungleichgewichts-Plasma (Nichtthermisches Plasma) in einem partiell geschlossenen Plasmaerzeuger mittels einer ringförmigen Düse am Übergang zur Umgebung an der Austrittsöffnung (3) stark beschleunigt wird und sich folgedessen nach der Düse ein sekundäres Plasma bei Umgebungsdruck ausbildet. Die Temperatur des Plasmas im Kern des sekundären Plasmas beträgt je nach Menge des Arbeits- bzw. Plasmagases und einem Abstand von 4 mm bis 20 mm zwischen Austrittsöffnung (2) und Substratoberfläche (4) zwischen 20°C und 900°C bei Umgebungsdruck.
Als Homogenisierungsbehälter wird vorzugsweise ein geschlossener Behälter verwendet in dem je nach Beschaffenheit der Beschichtungsflüssigkeit ein geeignetes Homogenisierungssystem, wie z. B. Rührwerk, Mischwerk oder Ultraschallhomogenisator, integriert wird.
Die homogene Beschichtungsflüssigkeit wird über eine Leitung (13) von einem Pump- und Dosiersystem (16) angesaugt und über die Leitung (10) in dosierter Menge zum Plasmaerzeuger (1) gefördert. Am Plasmaerzeuger (1) wird die homogene Beschichtungsflüssigkeit direkt in den an der Düsenöffnung (3) austretenden sekundären Plasmastrahl (2) mittels einer Düse (9) beispielsweise mittels einer Flachstrahldüse als Feinstpartikel eingesprüht oder eingestäubt. Von Vorteil ist auch eine Zuführung der homogenen Beschichtungsflüssigkeit innerhalb der Düse des Plasmaerzeugers (1) in einem sich zur Düsenöffnung hin verjüngten Bereich oder in die Düsenöffnung selbst, dargestellt in 1 über eine gestrichelt angedeutete Leitung (11). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die homogene Beschichtungsflüssigkeit über eine ebenfalls gestrichelt angedeutete Leitung (12) direkt durch das primäre Plasma hindurch in Strömungsrichtung des Plasmastrahls bis zur Düsenöffnung (3) zuzuführen, z. B. durch die Innenelektrode (5) des Plasmaerzeugers.
Die vom Plasmastrahl (2) auf die Substratoberfläche (4) aufgebrachten Feststoffanteile werden auf diese gut haftend aufgetragen, ohne dass die Substrattemperatur unzulässig ansteigt oder geschädigt wird. Die Substrattemperaturerhöhung liegt während und nach einem dynamischen Beschichtungsprozess deutlich unterhalb 100°C und nach einem statischen Beschichtungsprozess deutlich unterhalb 900°C. Dennoch wird durch diesen mikroskopischen atmosphärischen Plasmaprozess eine ausgezeichnete Haftung der aufgetragenen Schicht erreicht.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die zu beschichtende Substratoberfläche (4) keiner speziellen Vorbereitung bedarf. Eine Oberflächenreinigung kann durch den Plasmaprozess selber durchgeführt werden. Mit Vorteil wird zu diesem Zweck anfänglich ein- oder mehrmals der Plasmastrahl ohne Zufuhr der Beschichtungsflüssigkeit auf die zu beschichtende Fläche gerichtet, bevor die eigentliche Beschichtung erfolgt. Dieser Vorgang dient vor allem zur Reinigung und Temperierung der Oberfläche und zu deren Mikro- bzw. Nanostrukturierung.
Die relative Beschichtungsgeschwindigkeit zwischen Plasmastrahl und Substrat beträgt ca. 1 bis 10 Meter pro Minute bei einem Abstand von ca. 10 mm zueinander, die Beschichtungsgeschwindigkeit kann jedoch je nach Anforderungen zwischen 1 Millimeter pro Minute und 1.000 Meter pro Minute betragen, wobei Beschichtungsbreiten von 1 mm bis 50 mm erreicht werden. Für die Zufuhr der Beschichtungsflüssigkeit sind je nach Anwendungsfall zwischen 0,01 Milliliter pro Minute und 1 Liter pro Minute üblich, wobei auch andere Mengen (größer oder kleiner) vorstellbar sind. Die erzielbaren Schichtdicken betragen typischer Weise 0,1 bis 300 Mikrometer pro Überlauf. Eine Beschichtungsvorrichtung könnte zum Beispiel direkt bei einem Schweißprozess nachlaufend angewendet werden (In-Line-Prozess).
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Aufbringen Zinkschichten, Kupferschichten, Silberschichten oder Goldschichten auf metallische oder nichtmetallische Bauteile, wie Glas, Keramik, Kunststoff, Holz oder Papier, wobei die aufgebrachten Schichten eine sehr gute Leitfähigkeit besitzen können.
Selbstverständlich können auch andere Materialien (Metalle, Glas, Keramiken, Thermoplaste oder auch deren Mischungen etc.) auf andere Substratoberflächen (Metall, Glas, Keramik, Kunststoffe, etc.) mit dem erfindungsgemäße Verfahren aufgetragen werden und Funktionsschichten wie beispielswiese Schutz-, Verschleiß-, Isolierschichten oder auch Schichten mit antibakteriellen, selbstreinigenden oder auch katalytischen Eigenschaften bilden. Das Verfahren kann aber auch zu medizinischen Zwecken genutzt werden und beispielsweise zum Aufbringen von biologische aktiven Schichten auf Hautersatz oder Knochenimplantaten dienen, mit dem Ziel einer schnelleren und verbesserten Integration des Implantates in das menschlich Gewebe.
Das Verfahren kann auch zum dosierten bzw. schonenden und gezielten Vormetallisieren oder Metallisieren von Kunststoffen, Papier, Halbleitern oder Nichtleitern, beispielsweise zur Herstellung elektrisch leitfähiger Schichten aus Zn, Cu, AG oder Au auf Si-Wafern, angewendet werden.
Des Weiteren kann das Verfahren angewendet werden zur zersetzungsfreien Aufbringung von gut haftenden Schichten aus Kunststoffen, wie Polyamid, oder Hochleistungs-Kunststoffen wie PEEK auf Glas, Keramik, Kunststoff, Holz, Papier oder Metalle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 03/029762 [0003]
WO 01/32949 [0003]
WO 2005/031026 [0005]

Claims

Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche (4) unter Verwendung eines Plasmastrahles (2) oder mehrerer Plasmastrahlen (2), dadurch gekennzeichnet, dass je Plasma-Beschichtungsdüse auf die Substratoberfläche (4) im Gegensatz zum thermischen Spritzen ein Strahl (8, 2) eines atmosphärischen Niedertemperaturplasmas gerichtet wird, dem über einen Homogenisierungsbehälter (15) mit Homogenisierungssystem (14) mittels Pump- und Dosiersystems (16) eine homogene Beschichtungsflüssigkeit, bestehend aus Trägerflüssigkeit und feinkörnigem Pulver oder einem Flüssigkeitsgemisch mit Feststoffanteilen, in dosierter Menge für die Beschichtung zugeführt wird, wobei die Feststoffanteile aus der Beschichtungsflüssigkeit mit der Substratoberfläche (4) eine haftende Verbindung eingehen und wobei die Beschichtung der Substratoberfläche (4) statisch oder dynamisch durch bewegen des Plasmaerzeugers (1) mit dem Plasmastahl (2) über die Substratoberfläche (4, 18) oder durch bewegen der Substratoberfläche (4) im Plasmastrahl (2, 17) erfolgt und wobei während und nach dem statischen Beschichtungsprozess die Substrattemperaturerhöhung bei einem Abstand zwischen 5 und 20 mm zwischen Plasma-Beschichtungsdüse (3) und Substratoberfläche (4) unterhalb von 900°C liegt, und wobei während und nach dem dynamischen Beschichtungsprozess die Substrattemperaturerhöhung bei einem Abstand zwischen 5 und 20 mm zwischen Plasma-Beschichtungsdüse (3) und Substratoberfläche (4) und einer Vorschubgeschwindigkeit von Plasmastrahl oder Substratoberfläche mit 1 bis 10 Meter pro Minute unterhalb von 100°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Feststoffanteile bzw. des beigemischten feinkörnigen Pulvers oder der Pulvergemische in der Beschichtungsflüssigkeit im Nanometerbereich zwischen 1 Nanometer bis 100 Mikrometer liegen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma in einer Plasmadüse (1) unter Zuführung eines Arbeitsgases und/oder einer verdampfbaren Flüssigkeit und Erzeugung einer Entladung die durch Hochspannung oder elektrischer und/oder elektromagnetischer Einkopplung entsteht und der primäre Plasmastrahl (8) durch eine Düse ausgeformte Öffnung (3) des Plasmaerzeugers (1) zu der Substratoberfläche (4) ausgeblasen wird, wobei die Beschichtungsflüssigkeit direkt in den an der Düsenöffnung (3) austretenden sekundären Plasmastrahl (2) mittels einer Düse (9) beispielsweise mittels einer Flachstrahldüse als Feinstpartikel eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsflüssigkeit innerhalb der Düse in einem sich zur Düsenöffnung hin verjüngten Bereich (6, 11) der Plasmadüse (1) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsflüssigkeit in das primäre Plasma beispielsweise durch die Innenelektrode (5, 12) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeits- bzw. Plasmagas (7) Luft oder Stickstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperaturplasma nach Ausbildung eines elektrisch oder elektromagnetisch erzeugten primären Ungleichgewichts-Plasmas in einem partiell geschlossenen Plasmaerzeuger der gerichtete primäre Plasmastrahl mittels einer Plasmadüse (3) am Übergang zur Umgebung stark beschleunigt wird und sich folgedessen nach der Düse das sekundäre Plasma bei Umgebungsdruck ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche (4) durch den sekundären Plasmastrahl (2) ohne Zufuhr der Beschichtungsflüssigkeit gereinigt und/oder mikro- bzw. nanostrukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des primären Plasmas (8) ein hochfrequenter Wechsel- oder Gleichstrom mit Frequenzen von 10 kHz bis 10 GHz und einer elektrischen Leistung weniger als 5 kW verwendet werden.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Aufbringen von elektrisch leitfähiger Metallschichten wie beispielswiese Zink-, Kupfer-, Silber- oder Goldschichten auf metallische oder nichtmetallische Bauteile, wie Si-Wafer, Glas, Keramik, Kunststoff, Holz oder Papier.