Ziel der Entwicklung

Beschichtungstechnologien sind seit mehreren Jahrzehnten ein ständiger Wachstumsmarkt und Antreiber für neue Produktklassen, wobei durch andauernde Innovationen auf diesem Gebiet auch in Zukunft mit kontinuierlichen Wachstumsraten zu rechnen ist. Am Markt ist eine Vielzahl von Beschichtungsverfahren etabliert, wie Bedrucken, Lackieren, elektrochemische / galvanische Abscheidung, chemische Beschichtungen, PVD (physical vapour deposition) und CVD (chemical vapour deposition). Das CCVD-Verfahren (combustion chemical vapour deposition) stellt einen Spezialfall des CVD-Verfahrens dar. In allen CVD-Beschichtungsverfahren werden eine oder mehrere Vorläufersubstanzen (sog. Präkursoren) in die Atmosphäre über der zu beschichtenden Oberfläche eingebracht. Der Beschichtungsprozess erfolgt durch die chemische Umsetzung der Präkursor-Verbindungen auf der Substrat-Oberfläche. Beim CCVD-Verfahren werden die Präkursoren in den Brenngasstrom eingespeist und die Beschichtung erfolgt die flammenpyrolytische Umsetzung dieser Verbindungen über und auf der Substratoberfläche. Aufgrund des Verbrennungsprozesses sind die Beschichtungen vorwiegend auf oxidische Systeme beschränkt. Dabei haben gegenwärtige Beschichtungen und Anwendungen auf der Basis von Siliziumoxidschichten technische und wirtschaftliche Bedeutung. Diese werden vorwiegend auf Metall- und Kunststoffoberflächen zur Haftungsverbesserung und Korrosionsschutz verwendet.
Durch die Abscheidung von Kompositschichten konnte das Potenzial Technologie erweitert werden. Dabei werden gezielt zusätzliche Stoffe bzw. Elemente vorwiegend in SiO2-Matrices eingelagert und den Schichten damit neue Funktionalitäten verliehen.
Leichtmetalllegierungen, insbesondere Magnesiumlegierungen haben mit Blick auf den materialtechnischen Leichtbau immer größer werdendes Potenzial und sind damit essenziell für Umwelt- und Ressourcenschonende Konstruktionen und Anwendungen. Aufgrund der hohen Korrosionsanfälligkeit von Magnesiumlegierungen sind Verfahren zur Erhöhung des Korrosionsschutzes unabdingbar, welche erlauben deren bisher beschränkte Anwendung als technisches Konstruktionsmaterial wesentlich zu erweitern. Die Oberflächenbehandlung von Leichtmetalllegierungen vor allem zum Zwecke des Korrosionsschutzes, als auch für die Erzeugung eines Haftgrundes für nachfolgende Lackierungen/Verklebungen wird derzeit hauptsächlich mit chemischen und elektrochemischen Methoden im Tauchverfahren durchgeführt. Die Nutzung der CCVD-Technologie bietet in diesem Zusammenhang den Vorteil, dass vollständig auf den Einsatz von Badchemie und bedenklicher Chemikalien sowie der häufig notwendigen Trocknungsschritte nach einer Nassbeschichtung verzichtet werden kann.
Im FuE-Vorhaben wurden drei primäre Ziele angestrebt: die Erforschung neuartiger Präkursoren und sowohl die Erprobung dieser als auch der Dosiertechniken im CCVD-Verfahren. Die Charakterisierung der damit erzeugten ultradünnen Schichten sowie die Untersuchungen zur Eignung der entwickelten Präkursoren und Dosiersysteme zur Erzeugung korrosionshemmender, P- und/oder Ce-haltiger Dünnschichten. Weiterhin die Entwicklung von Dosiersystemen und die Bereitstellung entsprechender Präkursoren in industrierelevanter Mengen mit hoher Flexibilität im Einsatz sowie die Untersuchung der Langzeitstabilität in der Verwendung.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt wurden sowohl Dosiersysteme für verdampfbare Präkursoren als auch für nicht-verdampfbare Präkursoren entwickelt und gefertigt. Darüber hinaus wurden mehrere Varianten für die verschiedenen Dosierkonzepte erarbeitet und optimiert. Die Dosiersysteme wurden in bestehenden Beschichtungsanlagen bei Innovent (CCVD, ADPPVD) integriert und Dünnschichten auf verschiedenen Substraten erzeugt. Für diese grundlegenden Beschichtungsversuche wurden zunächst SiO2-Schichten auf Flachsubstraten (Glas, Silizium) mit siliziumorganischer Verbindungen (HMDSO, TEOS, OMCTS und APTES) erzeugt und charakterisiert.
Im Anschluss wurden Ce- und P-haltige Präkursoren in die Beschichtungsprozesse integriert. Hierbei haben sich vor allem Cernitrat-Lösungen und Ammoniumdihydrogenphosphat-Lösungen (Dosierung mit System für nicht-verdampfbare Präkursoren) als handhabbare Verbindungen herausgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Erzeugung Ce- und P-haltiger SiO2-Beschichtungen auf Glas, Silizium und den Leichtmetallen Magnesium (AZ91) und Aluminium (AlMgSi1) möglich ist. Durch Variation der Dosierung der Präkursoren im Beschichtungsprozess konnte die Konzentration der Verbindungen innerhalb der Schichten erfolgreich eingestellt werden. Die Menge der eingebrachten Präkursoren beeinflusst darüber hinaus die Morphologie der Dünnschichten von glatt bis rau. Die Funktion dieser Schichten auf Leichtmetallen ist die Bereitstellung eines temporären Korrosionsschutzes für das Grundmaterial selbst und eines Haftgrundes für nachträglich aufgebrachte Deckschichten. Die Schutzwirkung ultra-dünner SiO2-Schichten gegenüber dem neutralen Salzsprühtest (NSS) ohne oder mit Ce und P wurde auf der Legierung AZ91 geprüft. Die Wirkung einer reinen SiO2-Schicht hängt dabei von deren Schichtdicke ab, wobei höhere Schichtendicken tendenziell eine bessere Wirkung zeigen. Dennoch zeigte die Verwendung hoher Präkursorkonzentrationen von HMDSO eine verstärkte Korrosionsneigung, die sehr wahrscheinlich durch eine verminderte Geschlossenheit der so abgeschiedenen Schichten verursacht wird. Der beste temporäre Korrosionsschutz, vor allem innerhalb der ersten 48 Stunden im NSS, konnte mit Schichten erreicht werden, die mit niedrigen HMDSO-Konzentrationen abgeschieden wurden und eine Schichtdicke von ca. 80 nm aufwiesen. Die Einlagerung von Ce- und P-haltigen Komponenten in die Schichten hingegen verschlechterte überraschenderweise den Korrosionsschutz im Vergleich zur reinen SiO2-Schichten. Dies ist möglicherweise auf eine erniedrigte Kompaktheit der Schichten zurückzuführen. Die Verwendung von Ammoniumdihydrogenphosphat beschleunigt sogar die Korrosion. Durch die Aufbringung von zusätzlichen Decklacken aus verschiedenen Epoxidharzen auf die ultradünnen SiO2-Schichten konnte die Korrosionsbeständigkeit im NSS-Test erhöht werden. Die verbesserte Lackhaftung durch die SiO2-Beschichtungen verhindert die Unterwanderung der Lacke. Im Gegensatz zur Nutzung der Ce-haltigen CCVD-Schichten ohne Decklack konnte für den Schichtaufbau mit Decklack ein erhöhter Korrosionsschutz erreicht werden, der wahrscheinlich auf einer weiteren Verbesserung der Lackhaftung beruht.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Oberflächen- und Beschichtungstechnologie gilt als wesentliche Querschnittstechnologie und verbindet die unterschiedlichsten Branchen miteinander. Die Unternehmen der Oberflächentechnik sind nach wie vor mittelständisch geprägt, sodass in dieser Branche kleine und mittelständige Unternehmen überwiegen. Mit den Ergebnissen des FuE-Projektes soll der Markt der CVD-Beschichtungen adressiert werden. Dabei sind hier Verfahren wie die herkömmliche CVD, Plasmagestützte CVD, Suspensions-Flamm / Plasma-Spritzen, Sprühpyrolyse und andere zu benennen. Neben der technologischen Erweiterung und Optimierung der Verfahren kann aber auch der Markt von funktionellen Beschichtungen und Präkursoren bedient werden. Durch die Einbindung in zukünftige FuE-Projekte zur gezielten Oberflächenfunktionalisierung unter Normaldruck und in der Kombination mit anderen Technologien kann die kontinuierliche Weiterentwicklung der Dosierungstechnik und des CCVD-Anlagenbaus verstetigt werden.
Die CVD-Technologien sind ein Marktsegment der „Dünnschichtherstellung“, das welches hauptsächlich durch das Wachstum von Endverbrauchsindustrien wie Architekturglas, Mikroelektronik, Solargeräten und -modulen sowie medizinischen Geräten angetrieben wird. Die CVD-Verfahren werden für vielfältige funktionelle Beschichtungen in der Mikroelektronik sowie der metall-, kunststoff- und glasverarbeitenden Industrie eingesetzt. Daher
Der Markt für chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hat sich aufgrund seines breiten Anwendungsspektrums und der technologischen Fortschritte bei Materialien und Methoden schnell erweitert. Aktuell liegt der Fokus vieler Marktteilnehmer in der Entwicklung innovativer Verfahren für die organisch-anorganischen Hybridbeschichtungen zur Senkung von. Besonders der Leichtmetall-Markt ist für CVD-Anwendungen relevant. Infolge begrenzter natürlicher Ressourcen, wachsender Umweltbelastungen und der Notwendigkeit zur Einsparung von Energie haben Leichtmetalle bzw. Leichtmetalllegierungen in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Der Einsatz von Magnesium, Aluminium und Titan als Leichtbauwerkstoffe gelten als Innovationstreiber. Auch im Consumer- und Verpackungsmarkt finden Leichtmetalle zunehmend Anwendung. Dabei ist die Erzeugung von passivierten bzw. haftungsoptimierten Oberflächen von herausragender Bedeutung. Daher gilt die Forschung auf diesen Gebieten als zukunftsweisend. Im direkten Vergleich der wichtigsten Leichtbauwerkstoffe nimmt gegenwärtig das Aluminium mit einer jährlichen Produktion von 57,6 Mio. t, gefolgt vom Titan mit 4,4 Mio. t, eine Schlüsselposition ein. Das Magnesium mit einer jährlichen Produktion von 1 Mio. t hat eine untergeordnete Rolle. Darin spiegelt sich die starke Korrosionsneigung und die dadurch derzeit noch begrenzten Einsatzmöglichkeiten von Magnesium wider. Daher liegt das Potenzial für die Erschließung von Anwendungen für Leichtmetalle in der stetigen Entwicklung von Legierungen und der damit eng verknüpften Oberflächenveredlung. In Marktanalysen nehmen die Galvanotechnik und die Lackiertechnik mit jeweils rund einem Viertel des Marktvolumens den größten Anteil der Beschichtungsverfahren ein. Im unmittelbaren Wettbewerb stehen Anwender chemisch-galvanotechnischer Beschichtungstechnologien. Rund 40 % der gesamten Oberflächen werden zum Korrosionsschutz elektrochemisch oxidiert. Weitere 20 % werden mit elektrochemischen Behandlung mit verschleißfesten Schichten ausgerüstet und korrosionsgeschützt. Ein gutes Drittel aller Oberflächen wird aus optischen Gründen modifiziert.
Zielmarkt für die Entwicklung von Präkursor-Systemen für CCVD-Anlagen sind prinzipiell alle Anwendungen, bei denen bisher die Beschichtung der Leichtmetalle durch chemisch-galvanotechnisch Methoden im Tauchverfahren ausgeführt werden. Unter anderem werden Automobil- und Fahrzeugbau große Stückzahlen an beschichteten Leichtmetallen eingesetzt. Hier ist eine stetige Verschiebung des Anteils der verwendeten Materialzusammensetzungen zugunsten der Leichtbauwerkstoffe zu beobachten. Damit geht die zunehmende Abnahme der derzeit dominierenden Rolle konventionellen Stahls einher. In Consumer-Märkten und der Verpackungsindustrie wächst die Bedeutung von Leichtmetallen ebenfalls. Auf dem Sport- und Freizeitmarkt haben sich bereits zahlreiche Leichtmetallanwendungen etabliert. CCVD-Verfahren ermöglichen Beschichtungen und Oberflächenmodifizierungen in kontinuierlichen Prozessen, die einen deutlichen Vorteil zu den sequentiellen galvanochemischen Beschichtungsverfahren ergeben. Der Einsatz von CCVD-Anlagen mit den entwickelten Präkursor-Dosiersystemen und -konzepten eröffnet zudem neue Anwendungen bei Folienverpackungen. Oberflächenmodifizierte Leichtmetallverpackungen können dem Verpackungsmarkt umwelt- und ressourcen-schonendere Lösungen zur Verfügung stellen. Damit ließe sich die Verwendung von Kunststoffverpackungen reduzieren. Die Recyclingquote und Wiederverwertung von Aluminium stieg in den letzten Jahren auf etwa 90%.