DE102014010935A1 - Beschichtung auf Metalloberflächen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial mit einem Schichtaufbau, das eine Metalloberfläche, eine Lackschicht auf der Metalloberfläche und eine oder mehrere durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schichten auf der Lackschicht aufweist, wobei die Lackschicht mindestens eine Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindung enthält. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die Verwendung einer solchen Fluoralkylgruppen enthaltenden Siliziumverbindung, wie sie im Übrigen zur Erzielung von Antihafteigenschaften bei Easy-to-clean-Oberflächen eingesetzt wird, überraschenderweise einen besonders guten Haftuntergrund für eine durch Gasphasenabscheidung erzeugte Beschichtung darstellt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Verbundmaterials.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial mit einem Schichtaufbau, wobei das Verbundmaterial eine Metalloberfläche, eine Lackschicht auf der Metalloberfläche und eine oder mehrere durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schichten auf der Lackschicht aufweist.
  • Um hochreflektierende Schichten zu erzeugen, wie sie beispielsweise in Reflektoren für Leuchten, Spiegel, in der Solarthermie o. ä. benötigt werden, werden typischerweise PVD(physical vapor deposition)-Schichten auf eine Metalloberfläche aufgebracht, bei der er es sich zumeist um Aluminium handelt. Dabei ist von großer Bedeutung, dass die Aluminiumoberfläche plan ist, sie wird daher typischerweise vor der PVD-Beschichtung poliert und eloxiert. Dies ist zum einen notwendig, da Rohaluminium eine vergleichsweise unebene Oberfläche aufweist, darüber hinaus muss die Metalloberfläche vor mechanischen und chemischen Einflüssen geschützt werden. Das Aufbringen einer Eloxal-Schicht ist jedoch aufwendig, nicht zuletzt auch in energetischer Hinsicht, weshalb als Alternative bereits in der EP 0 918 234 A1 vorgeschlagen wurde, auf die Metalloberfläche eine Lackschicht auf der Basis eines Acryl-, Epoxid-, Phenol-, Melamin-, Harnstoff- oder Polyurethanharzes aufzubringen.
  • Auch bei einem derartigen Verfahren hängt aber die Qualität der geschaffenen PVD-Beschichtung von der Qualität der zugrundeliegenden Metalloberfläche ab. Darüber hinaus muss der Lack einen guten Verlauf aufweisen, hierzu wird er typischerweise in einem kontinuierlichen Beschichtungsverfahren appliziert. Die Haftung der PVD-Schicht hat sich im Stand der Technik allerdings nicht immer als optimal erwiesen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik stellte sich die Aufgabe, ein Verbundmaterial der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das im Vergleich zum Aufbringen einer Eloxalschicht energetisch weniger aufwendig ist, bei dem als Untergrund eine Metalloberfläche geringerer Qualität verwendet werden kann und das gleichwohl eine gut haftende durch Gasphasenabscheidung erzeugte, insbesondere eine oder mehrere PVD-Schichten aufweist, die bei Verwendung des Verbundmaterials als Reflektor einen entsprechend hohen Reflexionsgrad erzeugen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verbundmaterial mit einem Schichtaufbau, wobei das Verbundmaterial zumindest die folgenden Schichten aufweist:
    • – eine Metalloberfläche
    • – eine Lackschicht auf der Metalloberfläche
    • – eine oder mehrere durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schichten auf der Lackschicht
    und wobei die Lackschicht mindestens eine Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindung enthält.
  • Lackschichten, die eine Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindung aufweisen, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, etwa aus der EP 1 221 347 A2 , und wurden bislang eingesetzt, um Öl, Wasser und schmutzabweisende Oberflächen zu erzeugen. Beispielsweise kann Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltriethoxysilan (F 8261) als Antihaftbeschichtung eingesetzt werden. Zum Einsatz kommen derartige Antihaftbeschichtungen beispielsweise bei Zinkblecken, wie sie für Fassaden und Dachgauben verwendet werden oder auch zur Ausrüstung von Textilien, wie es in der DE 103 21 851 A1 beschrieben wird.
  • Die Erfindung beruht nun auf der überraschenden Erkenntnis, dass gerade eine Beschichtung, die aus dem Stand der Technik für ihre Antihafteigenschaften bekannt ist, eine besonders gute Grundlage für eine durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schicht bildet. Bei letzterer kann es sich insbesondere um eine PVD(physical vapor deposition)-Schicht handeln. Auf das Eloxieren kann im Falle der Beschichtung des Aluminiumsubstrates mittels Lack verzichtet werden, wodurch weniger hochwertiges Aluminium verwendet werden kann, als es im Stand der Technik bislang der Fall war. Selbst bei Verwendung von solchem, preisgünstigerem Aluminium wird die Aluminiumoberfläche durch den Lackfilm derart eingeebnet, dass eine PVD-Schicht erzeugt wird, die gut auf der Oberfläche haftet und eine hohe Qualität aufweist, was sich im Falle eines Reflektors in guten Reflexionseigenschaften manifestiert.
  • Auch wenn die Erfindung insbesondere Verbundmaterialien mit einer PVD-Schicht sowie entsprechende Verfahren betrifft, kann es sich bei der durch Gasphasenabscheidung erzeugten Schicht grundsätzlich auch um andere Schichten handeln, insbesondere CVD(chemical vapor deposition)-Schichten, die durch chemische Gasphasenabscheidung erzeugt werden. Hierzu gehören auch entsprechende Varianten der CVD, beispielsweise die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) u. a..
  • Bei der Fluoralkylgruppen enthaltenden Siliziumverbindung kann es sich insbesondere um Fluorsilane handeln. Ein solches Fluorsilan weist zumindest eine Alkylgruppe auf, bei der ein oder mehrere H-Atome durch F-Atome ersetzt sind. Neben ganz oder teilweise fluorierten Alkylgruppen kann das Fluorsilan darüber hinaus auch Alkoxygruppen aufweisen. Möglich ist auch die Verwendung von Fluoralkylgruppen enthaltenden Silanolen oder Siloxanen. Allgemein ausgedruckt kann es sich um eine Verbindung der Formel R1Si(R2)x(OR3)3-x handeln, wobei R1 für eine mono-, oligo- oder perfluorierte Alkylgruppe mit 1 bis 20 C-Atomen, wobei die Alkylgruppe linear, verzweigt oder zyklisch sein kann, oder eine Arylgruppe steht, R2 und R3 für lineare, verzweigte oder zyklische Alkylgruppen mit 1 bis 10 C-Atomen oder eine Arylgruppe stehen und x = 0 bis 3 ist.
  • Besonders bevorzugt sind Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindungen wie Fluorsilane, die zumindest eine oligo- oder perfluorierte Alkylgruppe mit 5 bis 20 C-Atomen und mindestens 4 F-Atomen aufweisen. Beispiele hierfür sind Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltrimethoxysilan oder Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydro-octyltriethoxysilan (F 8261). Derartige Fluorsilane mit vergleichsweise langen Alkylketten, die zumindest teilweise fluoriert sind, haben bislang bei der Herstellung von Oberflächen mit Antihafteigenschaften zur Verhinderung von Verschmutzungen oder auch als Anti-Graffitibeschichtung Verwendung gefunden, sollen erfindungsgemäß jedoch erstmalig als Haftuntergrund für eine durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schicht eingesetzt werden.
  • Bei den im PVD-Verfahren aufgebrachten Schichten kann es sich beispielsweise um Titandioxid (TiO2) handeln. Möglich ist auch das Aufbringen oder die Kombination mit anderen Schichten wie beispielsweise Nioboxid (Nb2O5), Tantaloxid (Ta2O5), Siliziumdioxid (SiO2) oder Silber (Ag). Bei der Aufbringung der PVD-Schicht kann bei Bedarf auch eine Spannung an der Metalloberfläche angelegt werden. Die durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schicht weist typischerweise eine Schichtdicke von ca. 2 bis 50 nm, insbesondere 10 bis 30 nm, besonders bevorzugt ca. 20 nm auf. Durch eine Kombination mehrerer Schichten können für den hierbei erzeugten PVD-Verbund Schichtdicken zwischen 10 und 200 nm erhalten werden.
  • Es hat sich als hilfreich herausgestellt, als Untergrund für die durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schicht einen Lack zu verwenden, der einen vergleichsweise hohen Anteil von Fluoralkylgruppen enthaltenden Verbindungen von mindestens 0,5 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1 Gew.-% aufweist. Bei entsprechenden Konzentrationen konnte eine gute Anhaftung der durch Gasphasenabscheidung erzeugten Schicht beobachtet werden. Die Erklärung für den überraschenden Effekt ist bislang noch unklar, könnte aber damit zusammenhängen, dass die eingesetzten Fluoralkylgruppen enthaltenden Siliziumverbindungen im Lackfilm auf mikroskopischer Ebene eine gewisse Porosität erzeugen, die als Basis für eine Anhaftung der durch Gasphasenabscheidung erzeugten Schicht dienen kann.
  • Als Metalloberfläche kann insbesondere Aluminium zum Einsatz kommen, denkbar ist jedoch auch die Verwendung anderer Metalle. Hierzu gehören insbesondere Magnesium, Kupfer, Titan, Molybdän, Stahl, Tantal, Chrom, Nickel oder Zink sowie Legierungen dieser Metalle. Besondere Bedeutung hat die Erfindung aber für die Beschichtung von Aluminiumoberflächen, bei denen erfindungsgemäß auf das Eloxieren der Aluminiumoberfläche verzichtet werden kann.
  • Die Metalloberfläche sollte vor dem Aufbringen der Lackschicht sauber sein, beispielsweise kann eine Befreiung von Fettschichten mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels sinnvoll sein. Ggf. kann auch ein Beizschritt zur Entfernung von Oberflächenbelägen wie Oxidschichten oder eine mechanische Vorbehandlung durchgeführt werden.
  • Die Lackschicht enthält neben der Fluoralkylgruppen enthaltenden Siliziumverbindung Bindemittel, bevorzugt auf anorganischer Basis. Vorteilhafterweise wird die Lackschicht auf die Metalloberfläche in Form einer Sol-Gel-Schicht aufgebracht. Diese enthält neben der Fluoralkylgruppen enthaltenden Siliziumverbindung typischerweise ein oder mehrere Tetraalkoxysilane und/oder Alkyltrialkoxysilane. Ihr Anteil in dem Sol-Gel-System beträgt in der Regel 20 bis 50 Gew.-%, während der Anteil der Fluoralkylgruppen enthaltenden Siliziumverbindung zumeist zwischen 0,1 und 2 Gew.-% liegt. Diese Angaben beziehen sich auf das Sol-Gel-System vor der Aufbringung auf die Metalloberfläche, d. h. vor Aushärtung und Trocknung.
  • Typischerweise wird im Sol-Gel-System noch ein Katalysator in Form einer Säure oder auch einer Base zugesetzt, die die im Sol-Gel-System erfolgende Kondensationsreaktion unterstützt. Die Säure kann eine organische oder mineralische Säure, bspw. Schwefel-, Salpeter-, Phosphor- oder Essigsäure, die Base bspw. Ammoniak, Natrium- oder Kaliumhydroxid oder Natrium- oder Kaliummethoxid sein. Als weitere unterstützende Komponente für die Kondensation werden meist geringe Mengen Wasser zugesetzt. Als Lösungsmittel wird bevorzugt ein Alkohol oder ein Alkohol-Gemisch verwendet; dieses Gemisch macht den Hauptteil der zu 100 Gew.-% fehlenden Prozente aus. Bevorzugt wird ein kurzkettiger Alkohol verwendet, der der Alkoxygruppe der verwendeten Siliziumverbindungen zugrunde liegt, insbesondere Methanol, Ethanol oder 2-Propanol.
  • Als Tetraalkoxysilan bzw. Alkyltrialkoxysilan können z. B. Tetraethoxysilan (TEOS) oder Methyltriethoxysilan (MTES), Tetramethoxysilan (TMOS) oder Tetraisopropoxysilan (TPOS) zum Einsatz kommen. Es handelt sich um typische Siliziumdioxid-Precursor zur Herstellung von kolloidalen Sol-Gel-Systemen.
  • Nach dem Zusammengeben der einzelnen Komponenten ist es sinnvoll, das Sol-Gel-System über einen längeren Zeitraum „reifen” zu lassen, so dass der entsprechende Sol-Gel-Prozess, d. h. insbesondere die partielle Gelbildung unter Kondensation der Precursormoleküle und Wasserabspaltung voranschreiten kann. Dieser Zeitraum sollte mindestens einen Tag, vorzugsweise jedoch ca. zwei bis fünf Wochen betragen, innerhalb dessen die obengenannten Komponenten (Tetraalkoxysilan/Alkyltrialkoxysilan, Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindung, Katalysator und Wasser/Alkohol) reagieren können. Die Reaktion findet in einem Temperaturbereich zwischen 10 und 80°C, bevorzugt zwischen 20 und 40°C, insbesondere bei Raumtemperatur statt. Nach Abschluss des Zeitraums kann der Sol-Gel-Prozess durch Verdünnung gestoppt werden, wobei insbesondere ein Alkohol, insbesondere Isopropanol zugesetzt wird. Bezogen auf die Gesamtzusammensetzung des Sol-Gel-Systems werden zweckmäßigerweise 5 bis 20 Gew.-% Isopropanol zugesetzt.
  • Das so erhaltene Sol-Gel-System kann weiter optimiert werden, indem man Additive zur Erhöhung der Kratzbeständigkeit und des Verlaufs einsetzt, beispielsweise modifizierte Siloxane, insbesondere solche mit hohem Polydimethylsiloxananteil (vorteilhafterweise in einer Menge von 0,5 bis 2 Gew.-%). Organische Bindemittel wie Melamin (vorteilhafterweise in einem Verhältnis von 1 bis 10 Gew.-%) und/oder Polyole (vorteilhafterweise in einem Verhältnis von 1 bis 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Sol-Gel-System) können zur Erhöhung der Flexibilität zugesetzt werden.
  • Das Sol-Gel-System wird sodann auf die vorbereitete Metalloberfläche gleichmäßig aufgebracht. Bevorzugt ist hierfür ein kontinuierlicher Beschichtungsprozess, insbesondere ein Bandbeschichtungsprozess mit integrierter Trocknung und Aushärtung. Die Applikation des Lackfillms erfolgt mittels Techniken wie roll-coating (mitläufig oder reverse) oder über eine Düse (contact-mode). Anschließend wird der ausgehärtete Lackfilm mittels Gasphasenabscheidung, in der Regel ebenfalls mit einem kontinuierlichen Bandbeschichtungsprozess, mit einer weiteren, insbesondere einer PVD-Schicht versehen. Die Gasphasenabscheidung kann mehrfach erfolgen. Alternativ kann das Aufbringen der Lackschicht auch mittels Techniken wie Tauchbeschichtung, Spin-Coating oder Sprühbeschichtung erfolgen.
  • Die Schichtdicke der in Form eines Sol-Gel-Systems aufgebrachten Lackschicht liegt typischerweise in der Größenordnung von 1 μm. Üblich sind Schichtdicken von 500 nm bis 8 μm, bevorzugt bis 1,5 μm.
  • Vorteilhafterweise wird auch die durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schicht mit einem Lack bedeckt, so dass diese Schicht geschützt wird. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2010 017 507 U1 , ist hier die Verwendung von anorganischen Lacken aus Polysiloxanen bekannt; eine solche Deckschicht ist transparent und schützt die darunterliegenden Schichten (auch den Reflektorkörper) vor mechanischer und witterungsbedingter Beschädigung.
  • Vorzugsweise wird für diese äußere Schicht erfindungsgemäß ebenfalls die Lackschicht verwendet, die auf die Metalloberfläche aufgebracht wird. Hiermit sind in erster Linie zwei Vorteile verbunden, zum einen muss nur ein Lacksystem vorgehalten werden, um dieses in verschiedenen Verfahrensschritten einzusetzen, nämlich zum einen vor der Beschichtung durch Gasphasenabscheidung zur Erzeugung eines Haftgrundes auf der Metalloberfläche und zum anderen nach der Beschichtung durch Gasphasenabscheidung als äußere Schutzschicht. Die Anlage muss daher nicht zwei verschiedene Beschichtungseinrichtungen aufweisen bzw. zwischen den einzelnen Verfahrensschritten muss der Lack in der Beschichtungseinrichtung nicht gewechselt werden. Hierdurch entfallen etwaige Umrüstzeiten an der Anlage.
  • Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass, wie bereits ausgeführt, die Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindung für Antihafteigenschaften verantwortlich ist, so dass ein entsprechend auf der Außenseite, d. h. auf der durch Gasphasenabscheidung erzeugten Schicht, beschichtetes Verbundmaterial ebenfalls entsprechende Antihafteigenschaften zeigt und weniger zur Verschmutzung neigt.
  • Die aufgebrachte Lackschicht ist normalerweise lichtdurchlässig und darüber hinaus UV-beständig, sodass die Eigenschaften des Verbundmaterials, beispielsweise bei der Verwendung als Reflektor, dauerhaft erhalten bleiben. Denkbar ist allerdings auch das Einbringen einer Komponente in die Lackschicht(en), die auf das Verbundmaterial fallendes Licht diffus streut, sofern ein solcher Effekt für die Anwendung gewünscht ist.
  • Hinsichtlich der Zusammensetzung entspricht die als äußere Deckschicht aufgebrachte Lackschicht bevorzugt der Schicht, wie sie auf die Metalloberfläche als Haftgrund aufgebracht wird. Insofern gelten hinsichtlich der Zusammensetzung und der Herstellung des Sol-Gel-Systems die oben zur Lackschicht zwischen Metalloberfläche und durch Gasphasenabscheidung erzeugten Schicht gemachten Ausführungen.
  • Neben dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Verbundmaterials mit den folgenden Schritten:
    • a) Bereitstellung einer Metalloberfläche,
    • b) Aufbringen einer Lackschicht auf die Metalloberfläche, wobei die Lackschicht mindestens eine Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindung enthält,
    • c) Trocknen der Lackschicht,
    • d) Aufbringen einer weiteren Schicht durch Gasphasenabscheidung.
  • Die Lackschicht wird typischerweise in Form einer Sol-Gel-Schicht auf die Metalloberfläche aufgebracht. Im Übrigen gelten hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens die gleichen Ausführungen wie zum Verbundmaterial selbst.
  • Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann für verschiedene Zwecke zum Einsatz kommen. Beispiele sind Reflektoren, wie sie in Leuchten und Scheinwerfern eingesetzt werden. Entsprechende Reflektoren können auch im Bereich der Solarthermie zum Einsatz kommen. Möglich ist auch die Verwendung für Spiegel, etwa für Spiegelreflexkameras. Ein weiterer Einsatzweck betrifft das Baugewerbe, insbesondere die Herstellung hochglänzender Fassadenbestandteile.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0918234 A1 [0002]
    • EP 1221347 A2 [0006]
    • DE 10321851 A1 [0006]
    • DE 202010017507 U1 [0022]

Claims (14)

  1. Verbundmaterial mit einem Schichtaufbau, wobei das Verbundmaterial zumindest die folgenden Schichten aufweist: – eine Metalloberfläche – eine Lackschicht auf der Metalloberfläche – eine oder mehrere durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schichten auf der Lackschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht mindestens eine Fluoralkylgruppen aufweisende Siliziumverbindung enthält.
  2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Gasphasenabscheidung erzeugte Schicht eine PVD-Schicht ist.
  3. Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoralkylgruppen aufweisende Siliziumverbindung ein Fluorsilan ist.
  4. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoralkylgruppen aufweisende Siliziumverbindung zumindest eine oligo- oder perfluorierte Alkylgruppe mit 5 bis 20 C-Atomen und mindestens 4 F-Atomen aufweist.
  5. Verbundmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoralkylgruppen aufweisende Siliziumverbindung Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltrimethoxysilan oder Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltriethoxysilan ist.
  6. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fluoralkylgruppen enthaltenden Siliziumverbindung im Lack ≥ 0,5 Gew.-%, bevorzugt ≥ 1 Gew.-% beträgt.
  7. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Metalloberfläche um eine Oberfläche aus Aluminium, Magnesium, Kupfer, Titan, Molybdän, Stahl, Tantal, Chrom, Nickel, Zink oder Legierungen dieser Metalle handelt.
  8. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht in Form einer Sol-Gel-Schicht aufgebracht ist.
  9. Verbundmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol-Gel-Schicht ein oder mehrere Tetraalkoxysilane und/oder Alkyltrialkoxysilane aufweist.
  10. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Lackschicht auf der durch Gasphasenabscheidung erzeugten Schicht.
  11. Verbundmaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht auf der durch Gasphasenabscheidung erzeugten Schicht mindestens eine Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindung enthält.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten: a) Bereitstellung einer Metalloberfläche, b) Aufbringen einer Lackschicht auf die Metalloberfläche, wobei die Lackschicht mindestens eine Fluoralkylgruppen enthaltende Siliziumverbindung enthält, c) Trocknen der Lackschicht, d) Aufbringen einer oder mehrerer weiterer Schichten durch Gasphasenabscheidung.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht in Form einer Sol-Gel-Schicht aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Gasphasenabscheidung aufgebrachte Schicht eine PVD-Schicht ist.
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