DE102015010476A1

DE102015010476A1 - Verfahren zur Herstellung von Schichten mit Hilfe der aerosolbasierten Kaltabscheidung

Info

Publication number: DE102015010476A1
Application number: DE102015010476.4A
Authority: DE
Inventors: Ralf Moos; Michael Schubert; Jörg Exner; Thomas Stöcker; Michaela Bruckner; Dominik Hanft
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schichten mit Hilfe der aerosolbasierten Kaltabscheidung. Durch eine zielgerichtete Einstellung der Kombination der mechanischen Eigenschaften (insbesondere Härte und Sprödigkeit) des Beschichtungswerkstoffs und des Trägersubstrats durch eine getrennt voneinander stattfindende Temperaturbehandlung wird die Beschichtung verbessert oder erst ermöglicht. Durch das Verfahren können Beschichtungswerkstoff, Trägersubstrat und die Kombinationen aus beiden z. B. aus Keramiken, duktilen Metallen oder auch organischen Materialien soweit in ihren mechanischen Eigenschaften verändert werden, dass dichte, kratzfeste Schichten abgeschieden werden können. Auch ist es möglich durch eine Temperaturänderung während der mechanischen Pulverkonditionierung vor dem Beschichtungsvorgang die mechanischen Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffes einzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schichten mit Hilfe der aerosolbasierten Kaltabscheidung. Durch eine zielgerichtete Einstellung der Kombination der mechanischen Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffs und des Trägersubstrats durch eine getrennt voneinander stattfindende Temperaturbehandlung wird die Beschichtung verbessert oder erst ermöglicht.
Technischer Hintergrund
Gewöhnlich ist für die Herstellung von keramischen Schichten oder Körpern eine Sintertemperatur oberhalb von 1000°C notwendig. In Folge dessen ist eine Integration bzw. Kombination von Keramiken mit niedrigschmelzenden Kunststoffen, Gläsern oder Metallen kaum oder gar nicht möglich [1]. Eine weitere Schwierigkeit stellen zudem Keramiken mit einem hohen kovalenten Bindungsanteil dar. Hierbei tritt eine Zersetzung der Keramik vor einer Verdichtung auf, wodurch eine Herstellung dichter Bauteile bzw. Schichten nicht oder nur unter erheblichem Aufwand möglich ist [2].
Eine neuartige Herangehensweise bildet ein bereits bekanntes Verfahren einer aerosol- und vakuumbasierten Schichtdeposition [3]. Das Verfahren wird in jüngster Zeit im Deutschen auch als „aerosolbasierte Kaltabscheidung” bezeichnet. Hierbei können bei Raumtemperatur dichte Schichten direkt aus den Ausgangspulvern auf verschiedenste Substratmaterialien abgeschieden werden. Diese zeichnen sich sowohl durch eine feste Anhaftung auf dem Substrat, hohe Dichtheit als auch durch im Vergleich zu den eingesetzten Ausgangspulvern ähnlichen Materialeigenschaften aus.
Die Grundlage des Verfahrens besteht darin, dass in einer entsprechenden Anlage mit Hilfe entsprechender Vorrichtungen (Beschreibung im nachfolgenden Punkt) Partikel 5 beschleunigt und auf ein zu beschichtendes Substrat 6 gelenkt werden. Die hohe kinetische Energie der Partikel 5 führt beim Aufprall auf das Substrat 6 mutmaßlich [1] sowohl zu einem lokalen Druck- und Temperaturanstieg als auch zu einer plastischen Deformation und zum Aufbrechen der Partikel. Dies sorgt wiederum für eine entsprechende Haftung sowohl zwischen den Partikeln als auch zwischen Partikel und Substrat.
Der Vorgang der Schichtabscheidung beginnt nach derzeitigem Wissensstand [1] mit einer Ausbildung einer Verankerungsschicht auf dem Substrat 6 und setzt sich mit einem kontinuierlichen Aufbau und der Verdichtung der Schicht fort. In der Literatur wird der Vorgang dieser Schichtbildung auch häufig mit dem Begriff „Room Temperature Impact Consolidation” (RTIC) bezeichnet [1].
Stand der Technik bzgl. der Abscheidung keramischer Partikel mittels aerosolbasierter Kaltabscheidung
Die Hauptkomponenten einer Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern sind, wie in 1 dargestellt, eine Vakuumkammer 1, eine Evakuierungsvorrichtung 2, eine aerosolerzeugende Vorrichtung 3 und eine Düsenapparatur 4. Veröffentlichungen bzgl. des Anlagenaufbaus, die den Stand der Technik hierzu darstellen, finden sich z. B. in der US 7,553,376 B2 .
Das Prinzip einer Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern basiert darauf, dass über eine Evakuierungsvorrichtung 2 innerhalb der Vakuumkammer 1 ein Vakuum erzeugt wird [5]. Die aerosolerzeugende Vorrichtung 3 vermischt ein Gas, z. B. Sauerstoff oder Stickstoff, mit Partikeln 5 und erzeugt so ein Aerosol [4]. Als Folge des auftretenden Druckabfalls zwischen aerosolerzeugender Vorrichtung 3 und Vakuumkammer 1 werden die Partikel von der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 über eine Verbindungsleitung 4.1 in die Vakuumkammer 1 transportiert. Die Verbindungsleitung 4.1 mündet in einer Düse 4.2, in der durch Querschnittsänderung die Partikel 5 weiter beschleunigt werden. In der Vakuumkammer 1 treffen die Partikel 5 auf ein bewegtes Substrat 6 und bilden dort einen dichten kratzfesten Film [1].
Bisher können mit dem Verfahren der aerosolbasierten Kaltabscheidung nur keramische Beschichtungswerkstoffe oder Komposite mit einer keramischen Matrix abgeschieden werden [5]. Dafür ist es zumeist notwendig, vor dem Beschichtungsvorgang eine mechanische Pulverkonditionierung, z. B. durch Mahlen, durchzuführen. Bei erfolgreicher Abscheidung ist es, z. B. bei der Abscheidung von Funktionsmaterialien, teilweise nötig, durch einen Temperschritt nach der Abscheidung die gewünschten Schichteigenschaften zu erreichen [6]. Eine Verbesserung kann teilweise über eine Erhöhung der Substrattemperatur während der Abscheidung erfolgen [7]. Bei weitergehenden Untersuchungen wurde zudem festgestellt, dass durch die mit der Temperaturänderung einhergehende Änderung der Härte des Substrates auch eine Änderung in der Abscheidung auftritt. So ist es bei erhöhten Temperaturen durch die reduzierte Härte des Substrates nicht mehr möglich eine dichte, kratzfeste Schicht zu erzeugen [8].
Diese Beobachtung deckt sich mit der Offenbarung in der Schrift EP 1583163 B1 , worin beschrieben wird, dass es für die erfolgreiche Abscheidung piezoelektrischer Materialien notwendig ist, ein spezielles Verhältnis der Härte des Substrates und der Partikel einzustellen.
Nachteile des Standes der Technik
Bei derzeitigem Stand der Technik ist bisher lediglich eine Kombination der Härten definiert, in dem eine erfolgreiche Beschichtung stattfinden kann, und eine Termperaturvariation des Trägersubstrates vorgenommen worden. Dadurch kann ausschließlich die Härte des Substrates durch eine Temperaturveränderung modifizieren werden. Es besteht aktuell aber nicht die Möglichkeit die mechanischen Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffes einzustellen, oder sogar die Härtebeziehung von Beschichtungswerkstoff und Trägersubstrat in Kombination zueinander zielgerichtet einzustellen. So ist es z. B. nicht möglich duktile Metalle oder organische Materialien als Beschichtungswerkstoff einzusetzen, da die für ein Aufbrechen der Partikel nötige Sprödigkeit nicht vorhanden ist.
Grundgedanke der Erfindung
Die Erfindung betrifft die zielgerichtete Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffes und des Trägersubstrates im Verhältnis zueinander, um eine Beschichtung mittels aerosolbasierter Kaltabscheidung realisieren zu können. Dabei sollen die mechanischen Eigenschaften von Beschichtungsmaterial und Trägersubstrat durch eine getrennt voneinander stattfindende Temperaturbehandlung derart eingestellt werden, dass bisher nicht realisierbare Kombinationen genutzt werden können (z. B. bei der Verwendung weicher Substrate wie etwa Glas, duktiler Metalle oder organischer Materialien). Besonders für die Abscheidung relevante mechanische Eigenschaften sind die Härten von Beschichtungswerkstoff und Trägersubstrat an sich, sowie die Härtebeziehung zwischen Beschichtungswerkstoff und Trägersubstrat. Die Sprödigkeit bzw. die Beziehung dieser zwischen Beschichtungswerkstoff und Trägersubstrat ist ebenfalls von Interesse. Außerdem können durch eine Temperaturänderung während der vorausgehenden mechanischen Pulverkonditionierung bereits die mechanischen Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffes eingestellt werden.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch eine zielgerichtete Temperaturänderung während der mechanischen Pulverkonditionierung und/oder während des Beschichtungsprozess selbst Materialien abgeschieden werden können, die bei Normalbedingungen aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften keine fest haftenden, dichten Schichten bilden. Darüber hinaus können durch individuelles Einstellen der mechanischen Eigenschaften von Beschichtungswerkstoff und Trägersubstrat Kombinationen aus diesen hergestellt werden, die bisher aufgrund eines falschen Verhältnisses der mechanischen Eigenschaften beider nicht möglich waren. Außerdem können Substrate (organische Materialien oder duktile Metalle) beschichtet werden, die bei Normalbedingungen keine ausreichende Härte, Festigkeit oder Elastizität besitzen, damit darauf eine gut haftende, dichte Schicht abgeschieden werden kann.
Ausführungsformen der Erfindung
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die gesamte Beschichtungsanlage (Beschichtungskammer 1, Aerosolerzeuger 3 und Verbindungsleitung 4.1) durch ein externes Kühlsystem stark abgekühlt. Weiterhin ist es Lehre der Erfindung, das Trägergas über eine Gaskühlung oder einen Heizschlauch in seiner Temperatur definiert zu verändern und somit auch die Temperatur des Beschichtungswerkstoffes 5 zu ändern. In einer bevorzugten Ausführungsform kann dieser vor Einfüllen in den Aerosolerzeuger 3 bereits gekühlt oder erhitzt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auch der Aerosolerzeuger 3 und/oder die Verbindungsleitung 4.1 entsprechend temperiert. Beispielsweise kann der Beschichtungswerkstoff 5 vor dem Einfüllen in den (gekühlten) Aerosolerzeuger 3 in flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Ein z. B. metallischer oder organischer Werkstoff kann bei diesen niedrigen Temperaturen verspröden und es kann bei der aerosolbasierten Kaltabscheidung, wie oben beschrieben, eine gute Schicht ausgebildet werden.
Weiterhin ist es möglich, die Erfindung derart auszuführen, dass neben der reinen Temperaturänderung des Beschichtungswerkstoffes 5 oder der gesamten Beschichtungsanlage, wie oben beschrieben, zusätzlich die Temperatur des Substrates 6 variiert wird, um eine geeignete Kombination der mechanischen Eigenschaften von Beschichtungswerkstoff 5 und Trägersubstrat 6 einzustellen.
In einer Ausführungsform kann daher das Trägersubstrat 6 z. B. durch einen Heizer aufgewärmt oder durch ein Pelltierelement bzw. durch Kühlung der Trägersubstrataufnahme abgekühlt werden, während der Beschichtungswerkstoff 5 entsprechend der oben beschrieben Ausführungen temperiert wird. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Beschichtungswerkstoff 5 bereits während der mechanischen Pulverkonditionierung durch Zugabe von flüssigem Stickstoff abgekühlt. Als naheliegendes aber nicht ausschließliches Beispiel sei die Zugabe von flüssigem Stickstoff genannt. Damit werden die mechanischen Eigenschaften für den nachfolgenden Beschichtungsvorgang optimiert.
Es ist ebenfalls eine Ausführungsform gemäß der Lehre der Erfindung, Substrat und Beschichtungswerkstoff 5 nur durch Kühlung auf unterschiedliche Temperaturen zu bringen.
Zitierte Nichtpatentliteratur

[1] J. Akedo: Room temperature impact consolidation (RTIC) of fine ceramic powder by aerosol deposition method and applications to microdevices, J. Therm. Spray Tech., 17, 181–198 (2008), doi: 10.1007/s11666-008-9163-7
[2] H. Salmang, H. Scholze: Keramik, 7th ed, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (2007), p. 857–859, 906, ISBN 3-540-63273-5
[3] K. Sahner, M. Kaspar, R. Moos: Assessment of the novel aerosol deposition method for room temperature preparation of metal oxide gas sensor films, Sensors and Actuators B: Chemical, 139, 394–399 (2009), doi: 10.1016/j.snb.2009.03.011
[4] M. Schubert, J. Exner, R. Moos: Influence of carrier gas composition on the stress of Al2O3 coatings prepared by the aerosol deposition method, Materials, 7, 5633–5642 (2014), doi: 10.3390/ma7085633
[5] J. Exner, P. Fuierer, R. Moos: Aerosol Codeposition of Ceramics: Mixtures of Bi2O3-TiO2 and Bi2O3-V2O5, J. Am. Ceram. Soc., 98, 717–723. (2014), doi: 10.1111/jace.13364
[6] D. Popovici, H. Tsuda, J. Akedo: Postdeposition annealing effect on (Ba0.6, Sr0.4)TiO3 thick films deposited by aerosol deposition method, J. Appl. Phys., 105, 061638 (2009), doi: 10.1063/1.3086197
[7] T. Miyoshi: Evaluation of Pb(Zr, Ti)O3 Ceramics Prepared by Aerosol Deposition, Jpn. J. Appl. Phys., 46, 7018–7023 (2007), doi: 10.1143/JJAP.46.7018
[8] M. Lebedev, J. Akedo, T. Ito: Substrate heating effects on hardness of an α-Al2O3 thick film formed by aerosol deposition method, J. Cryst. Growth, 275, e1301 (2005), doi: 10.1016/j.jcrysgro.2004.11.109

Bezugszeichenliste

1: Vakuumkammer
2: Evakuierungsvorrichtung
3: Aerosolerzeugende Vorrichtung
4: Düsenapparatur
4.1: Verbindungsleitung
4.2: Düse
5: Partikel
6: Substrat

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

US 7553376 B2 [0006]
EP 1583163 B1 [0009]

Claims

Verfahren zur aerosolbasierten Kaltabscheidung, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zielgerichtete Temperaturvariation vor und/oder während des Abscheidevorganges die mechanischen Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffes und/oder des Trägersubstrates getrennt voneinander durch Aufheizen und/oder durch Abkühlen verändert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der Härten von Beschichtungswerkstoff und Trägersubstrat, und/oder die Kombination der Sprödigkeit von Beschichtungswerkstoff und Trägersubstrat durch eine zielgerichtete Temperaturvariation eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch zielgerichtete Temperaturvariation der gesamten Beschichtungsanlage die Härte und/oder die Sprödigkeit von Beschichtungswerkstoff und/oder Trägersubstrat eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch zielgerichtete Temperaturvariation des Trägergases die Härte und/oder Sprödigkeit des Beschichtungswerkstoffes eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch zielgerichtete Temperaturvariation des Beschichtungswerkstoffes dessen Härte und/oder Sprödigkeit eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zielgerichtete Einstellung der Härte und/oder Sprödigkeit des Beschichtungswerkstoffes keramische, metallische und/oder organische Materialien eingesetzt werden können.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zielgerichtete Einstellung der Härte und/oder Sprödigkeit des Substratwerkstoffes Keramiken, Metalle (auch sehr duktile) und/oder organische Materialien eingesetzt werden können.
Mechanische Pulverkonditionierung vor dem Beschichtungsvorgang nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Kühlung oder Erwärmung während der Pulverpräparation die mechanischen Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffes zielgerichtet eingestellt werden können.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat und Beschichtungswerkstoff nur durch Kühlung auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden.