Projektbereich A

PVD-Beschichtung metallischer Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

A1: High Power Puls Magnetron Sputtering (HPPMS) - Schichtsynthese und Prozessverständnis

Nazlim Bagcivan und Kirsten Bobzin

Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen hinsichtlich des Prozessverständnisses soll im Teilprojekt A1 die Synthese von Schutzschichten für die Kunststoffverarbeitung ermöglicht werden. Das Ziel dieses Teilprojektes besteht darin, den Zusammenhang zwischen Anwendungsanforderungen und Beschichtungseigenschaften zu erarbeiten. Dadurch soll die Beschichtung als Funktion des Anwendungsfalls beschrieben werden. Somit soll die Auswirkung des Hochleistungs-Magnetronplasmas (High Power Pulsed Magnetron Plasma - HPPMS) in Kombination mit dem Gleichstrom (dcMS) Prozess als Hybridtechnologie auf die Eigenschaften nanostrukturierter Beschichtungen (C6) bis hin zu den Systemeigenschaften untersucht werden. Als Schichtwerkstoff sollen nach der Vorhersage der zusammensetzungsabhängigen Schichteigenschaften von A3 die MAlON Systeme (M = Ti, V, Cr) herangezogen werden. Die Anpassung der Schichtchemie erfolgt zusammen mit A2, A3 und B5 mit dem Ziel der Erhöhung des Adhäsionswiderstands gegenüber der Polymerschmelze. Zusammen mit A4 und A6 soll die Gestaltung der Nanostruktur der Beschichtungen unter Berücksichtigung der Haftung und des Rißwiderstands festgelegt werden. Des Weiteren werden chemische, kristallographische und mechanische Eigenschaften (A4) der Beschichtungen analysiert. In C2 werden Eigenspannung und Dichte der Beschichtungen ermittelt. Das Korrosionsverhalten und die Wechselwirkung der Beschichtung mit der Polymerschmelze werden in Zusammenarbeit mit A2 und B5 untersucht. Anschließend werden beschichtete Substrate in Extrusionsversuchen (B5) eingesetzt und hinsichtlich der Adhäsion der verarbeiteten Kunststoffe an den beschichteten Oberflächen der fördernden und formgebenden Elemente der Verarbeitungsmaschinen (B5, A2) untersucht.

A2: Analyse der strukturellen, elektronischen und adhäsiven Eigenschaften der Oberflächen von HPPMS Verschleißschutzschichten für die Kunststoffformgebung.

Guido Grundmeier

Ziel des Teilprojektes ist das molekulare Verständnis der Adhäsion von thermoplastischen Polymeren (Polypropylen, Polycarbonat) auf Beschichtungen vom Typ MAlON (M = Ti, V, Cr), sowie Boriden vom Typ TYB14 (T = Si, Sc, Ti, V, Y, Zr, Nb) wie sie in den TP A1 bzw. A3 hergestellt werden. Zentraler Ansatz von A2 ist es, die Anforderungen an die Mechanik der Verschleißschutzschicht mit der sich ausbildenden Passivschichtstruktur in Einklang zu bringen. Zusammen mit A1 und A3 wird untersucht, inwieweit die Nanostrukturierung in Form von vertikalen Schichtgradienten oder Nanolaminaten es erlaubt, die mechanischen Eigenschaften und die antiadhäsiven Eigenschaften der Beschichtun-gen einzustellen. Hierbei ist es wichtig, den oberflächennahen Bereich (in der Größenordnung weniger Nanometer) von der Volumenzusammensetzung der Beschichtung zu unterscheiden. Die chemische und physikalische Beschaffenheit des oberflächennahen Bereichs spielt eine entscheidende Rolle für die Wechselwirkungen wie Adhäsion und Reaktionen an der Grenzfläche zur polymeren Phase, wohingegen die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung von der Volumenzusammensetzung bestimmt werden. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Analyse der Ausbildung einer Passivschicht der oben genannten Beschichtungstypen. Die hierbei experimentell gewonnenen Ergebnisse dienen zudem der Korrelation mit den Simulationsarbeiten des Teilprojekts A3 hinsichtlich Ausbildung der Passivschicht und Wechselwirkung mit den Makromolekülen.

Ein zentraler Ansatz ist dabei, die Mechanismen der Reaktionsschichtbildung über die Untersuchung der Chemisorption von Sauerstoff und Wasser aus der Gasphase unter UHV-Bedingungen zu untersuchen, damit eine Ankopplung an die theoretischen Arbeiten in A3 ermöglicht wird.
Durch gezieltes Erzeugen einer Passivschicht direkt nach der Schichtabscheidung mittels Plasma-Nachbehandlung (Kooperation mit den TPs A1 und A3) soll eine definierte Oberflächenchemie eingestellt werden, welche die Wechselwirkung mit der polymeren Phase bestimmt. Die Ausbildung der Passivschichtstruktur wird mittels in-situ und ex-situ Analytik (XPS, Hochauflösungs-TEM,. . . ) untersucht.

Auf Basis dieser Erkenntnisse über die strukturellen, morphologischen, chemischen und elektronischen Eigenschaften der so erzeugten Passivschichten wird die molekulare Adhäsion von Polypropylen und Polycarbonat untersucht und mit der chemischen Zusammensetzung der Passivschicht korreliert. Die Adhäsionskräfte an den Beschichtungen werden unter Ultrahochvakuum-Bedingungen (UHV) und ambienten Bedingungen mittels AFM basierter Kraft-Abstands-Experimente bestimmt. Zur Charakterisierung der adhäsiven Eigenschaften von prozessbedingter und gezielt aufgewachsener, sauerstoffreicher, oberflächennaher Schicht sollen auch vergleichende AFM Kraft-Abstands-Experimente an passivschichtfreien Beschichtungen im UHV durchgeführt werden.
Elektrochemische Methoden werden eingesetzt, um die elektronische Struktur der Passivschichten und des Volumens der Beschichtung zu untersuchen. Zudem werden die Barriere-Eigenschaften der Beschichtungen als Funktion der Dehnung analog zu dem Ansatz in B3 mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie der beschichteten Probe untersucht (Kooperation mit A1, A3, A4 und A6).

Für die Anwendung als Verschleißschutzschicht für Werkzeuge in der Kunststoffverarbeitung ist die Untersuchung des mechanischen und chemischen Degradationsverhaltens der Beschichtungen von großer Bedeutung. Hierbei werden neben oberflächenanalytischen Methoden wie XPS, welche die Veränderung der Schicht nach Kontakt mit der Polymerschmelze zu charakterisieren erlauben, hochauflösende TEM Untersuchungen durchgeführt. Es lassen sich so Erkenntnisse zu Veränderungen der Passivschichten nach Schmelzekontakt bei der Polymerverarbeitung erzielen.

A3: Quantenmechanisch geführtes Design von Verschleißschutzschichten für die Kunststoffformgebung

Jochen M. Schneider und Denis Music

Auf Grundlage von ab initio-Daten (elastische Eigenschaften, Phasenstabilität, Interaktion zwischen Schicht und Polymer) soll das Design von Schutzschichten für die Kunststoffformgebung ermöglicht werden. Aufgrund der in B5 definierten Herausforderungen wird die Anwendung von Schutzschichten auf Extrusionswerkzeugen für die Polycarbonatformgebung betrachtet, wobei die hier gewonnenen Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen Kunststoffschmelze und Schichtoberfläche langfristig auch für den Spritzguss nutzbar sind. Prinzipiell ergeben sich unterschiedliche Anforderungen für Schutzschichten auf schmelzeführenden Bauteilen und auf Formgebungswerkzeugen. Um für die unterschiedlichen Anwendungen den jeweils richtigen Werkstoff designen zu können, werden in diesem Teilprojekt die beiden Materialsysteme (M1−xAlx)(OyN1-y) (M = Ti, V, Cr) und TYB14 (T = Si, Sc, Ti, V, Y, Zr, Nb) untersucht, womit ein breites Eigenschaftsspektrum abgedeckt werden kann. Die Schutzschichten sollen dabei sowohl das Werkzeug vor mechanischem Verschleiß schützen als auch die Haftung des Polymers am Werkzeug durch Minimierung der Interaktion zwischen Werkzeug und Polycarbonat reduzieren. Basierend auf den hier berechneten und experimentell verifizierten elastischen Eigenschaften wird der Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Defektstruktur auf die mechanische Eigenschaften des Werkstoffverbundes in A4 und A6 (mechanisches Mikromodell) bestimmt. So kann aufgrund von ab initio-Daten zusammen mit A4 und A6 eine wissensbasierte Auswahl von Schichtwerkstoffen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften getroffen werden. Dieser Strategie folgend wird auch die Interaktion zwischen Schutzschicht und Polycarbonat quantenmechanisch beschrieben, wobei oberflächenanalytische Daten aus A2 in die Modellgenerierung einfließen. Dieses Modell wird dann durch die experimentelle Beschreibung der Interaktion zwischen hier abgeschiedenen Schichten und Polycarbonat durch Grundlagenuntersuchungen in A2 und zwischen in A1 abgeschiedenen Schichten und Polycarbonat durch anwendungsnahe Versuche in B5 validiert. Ähnlich wie für die elastischen Eigenschaften soll hier ein ab initio-Modell gebildet und validiert werden, das die Interaktion zwischen Schutzschicht und Polycarbonat vorhersagt und damit die Grundlage der Beschreibung der Haftung des Polymers am Werkzeug darstellt.

Basierend auf den validierten quantenmechanischen Modellen zur Beschreibung der Phasenstabilität, Elastizität und der Interaktion zwischen Schutzschicht und Polycarbonat können dann die zusammensetzungsabhängigen Schichteigenschaften für das Design von Verschleißschutzschichten zur Anwendung in der Kunststoffformgebung vorhergesagt werden. Für beide Materialsysteme MAlON und TYB14 soll darüber hinaus ein grundlegendes Verständnis der Korrelation zwischen Plasmaprozessparameter und Struktur der abgeschiedenen Schichten erarbeitet werden. Es wurde gezeigt, dass höhere Sauerstoffgehalte im Reaktivgas während der Abscheidung zu Entmischung und Amorphisierung der MAlON-Schichten führen. Durch Zusammenführung des in A1 und A5 entwickelten Verständnisses zwischen Plasmaprozessparametern und Plasmaeigenschaften für Plasmen mit Reaktivgasen und die von C6 und C7 entwickelte Korrelation zwischen Plasmaeigenschaften und den Wechselwirkungen zwischen Plasma und Festkörper werden hier Schlüsselex-perimente durchgeführt, um die Strukturevolution von kombinatorisch abgeschiedenen Schichten zu beeinflussen. Um TYB14 auf technisch relevanten Substraten abscheiden zu können, muss die Substrattemperatur weiter erniedrigt werden. Dafür sollen die hohen Ionenströme des HPPMS benutzt werden. Da die Anwendung von HPPMS für das Zerstäuben und die Synthese von Boriden weitgehend unerforscht ist, sollen in Kooperation mit A5 die Plasmaprozessparameter, die Plasmaeigenschaften und die Schichteigenschaften korreliert werden. Während kristalline TYB14-Schichten deutlich größere Steifigkeiten als MAlON-Schichten aufweisen, erzielen bei niedrigen Temperaturen abgeschiedene amorphe TYB14-Schichten ähnliche Steifigkeiten wie die MAlON-Schichten. Deshalb soll das Potential der amorphen TYB14-Schichten als Verschleißschutzschichten in der Kunststoffformgebung in Kooperation mit A2 untersucht werden.

A4: Beschreibung des elastischen und plastischen Verhaltens nanostrukturierter Schichten

Kirsten Bobzin

Zielsetzung des Teilprojekts A4 ist die Beschreibung des mechanischen Verbundverhaltens (Beschichtung/Substrat) bis zum Versagensbeginn. Die Arbeiten der 2. Phase werden sich neben den Simulationsarbeiten zum überwiegenden Teil auf umfangreiche und detailtiefe experimentelle Untersuchungen des elastischen und plastischen Verformungsverhaltens konzentrieren. Ausgehend von dem gewonnenen Verständnis und der modellhaften Beschreibung des elastischplastischen Verhaltens nanostrukturierter Beschichtungen (A1, A3) soll eine Präzisierung der Methoden durch eine verfeinerte Berücksichtigung des Schichtdickeneinflusses und die Aufnahme von Versagenskriterien (A6) erfolgen. Die bestehenden Methoden zur Beschreibung des elastischplastischen Verhaltens werden darüber hinaus um die Betrachtung von dynamischen Verformungsvorgängen erweitert. Experimentell wird die Darstellung der dynamischen Belastung durch die Anwendung von Mikro- und Nanoscratchen mit unterschiedlichen Lasten realisiert. Hierdurch wird weiterhin eine Erweiterung der Betrachtung von den reinen Schichteigenschaften hin zu den Verbundeigenschaften realisiert. Die Auswertung erfolgt durch Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie zur Erforschung der plastischen Verformung senkrecht zur Oberfläche. Zur Untersuchung der Defektbildung als Funktion der Dehnung kommen Mikrozugprüfungen in Kombination mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie (A2) zum Einsatz. Diese Untersuchungen des elastischen und plastischen Verformungsverhaltens generieren einerseits notwendige Eingangsdaten für A6 und ermöglichen andererseits die Verifikation der Modelle aus A4 und A6. Damit soll ermöglicht werden, das vorhergesagte und beobachtete Verformungsverhalten zu verstehen und zu erklären.

A5: HPPMS Plasmen: Zeit- und ortsaufgelöste Charakterisierung

Achim von Keudell und Volker Schulz-von der Gathen

High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) Systeme zeichnen sich durch sehr hohe Leistungsdichten aus. Die Dynamik dieser Plasmaentwicklung wurde zeit- und ortsaufgelöst mit Langmuirsonden, Emissionsspektroskopie und Laserspektroskopie in der ersten Phase des Projektes untersucht. Dabei zeigte sich eine prominente Strukturbildung im Plasma, die an der Bildung von rotierenden intensiven Plasmabereichen (Spokes) sichtbar wird mit ausgeprägten Abhängigkeiten bzgl. Druck, Gas, Targetmaterial sowie Strom und Spannung am Magnetron. Das Teilprojekt hat hier international führende Beiträge geleistet. Die Performance von HPPMS-Prozessen hängt genau von diesen Spokes ab, da dort der maximale Materialabtrag stattfindet. Weiterhin dominieren diese intensiven Plasmabereiche z.B. Targetvergiftung und Gasverarmung. Aus diesem Grund ist ein tieferes Verständnis der Dynamik der Spokes unabdingbar, um in Zukunft HPPMS-Prozesse effizienter und zielgerichteter steuern zu können. So kann es sinnvoll sein, diese lokalisierten Plasmabereiche gezielt zu züchten oder gegebenenfalls zu unterdrücken, um einen optimalen, stabilen Industrieprozess zu realisieren.

Der Mechanismus der Strukturbildung ist noch nicht geklärt. Er kann entweder durch Runaway-Effekte der Sekundärelektronen oder durch die Neutralgasdynamik bestimmt sein. Die Identifizierung einer dieser Mechanismen ist zur Zeit allerdings noch schwierig, da zu wenig quantitative Daten und ausgearbeitete umfassende Modelle existieren. Da auch die komplexe Neutralgasdynamik mit einbezogen werden muss, ist es notwendig, diese Messungen mit einer 3D- Modellierung zu vergleichen. Die Plasmadynamik wird orts- und zeitaufgelöst mit schnellen ICCD Kameras vermessen. Diese Expertise wird in die Projekte C3, C6 und C7 exportiert. Die Expertise bzgl. Langmuirsondenmessungen, Ionenmassenspektrometrie und Laserabsorptionsmessungen wird aus C1, C3 und B2 importiert. Die Experimente validieren gleichzeitig die Modellentwicklung in C5 und C8.

A6: Mehrskalige Modellierung des Schädigungs- und Bruchverhaltens nanostrukturierter Schichten

Stefanie Reese

Der PB A des SFB-TR 87 konzentriert sich unter anderem auf die materialwissenschaftliche Erforschung des Potentials von Nanoschichten. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Erarbeitung von Werkstoffmodellen für definierte Anforderungsprofile. Es liegt auf der Hand, dass die mit den neu entwickelten Methoden der Plasmatechnik erstellten Schichten unter repräsentativer Beanspruchung weder Schädigung noch Versagen aufweisen sollen. Um das Verhalten der Schichten prädiktiv beurteilen zu können, werden leistungsfähige Materialmodelle benötigt, die eine Vorhersage des Schädigungs- und Bruchverhaltens ermöglichen. Ein wesentliches Ziel des TP A6 ist es, diesen Beitrag mittels Methoden der modernen Kontinuumsmechanik zu leisten. Das TP baut dabei auf den Arbeiten aus TP A4 auf, das in der hier beantragten Förderphase den Schwerpunkt auf die experimentelle Untersuchung elastoplastischen Verhaltens nanostrukturierter Schichten legt.

TP A6 zielt außerdem auf ein grundlagenwissenschaftliches, werkstoffphysikalisches Verständnis der Versagensprozesse in nanostrukturierten Laminaten. Zu diesem Zweck wird die kontinuumsmechanische Modellierung durch eine feinskaligere Modellierung unterfüttert mit Hilfe derer sich der Einfluss kristallographischer Eigenschaften, des Schichtaufbaus und langfristig chemischer Parameter klären lässt. Des Weiteren soll das feinskalige Modell dazu dienen, die aus dem SFB-TR 87 verfügbaren experimentellen Daten durch eine sogenannte virtuelle Datenbank anzureichern. Die in TP A6 zu entwickelnde Modellierung soll mittelfristig Zusammenarbeiten mit Projekten sowohl der Metallroute als auch der Kunststoffroute ermöglichen. Dabei wird der Schwerpunkt zunächst auf die Zusammenarbeit mit Projekten der Metallroute (A1, A2, A3 und A4) gelegt.
Im späteren Verlauf der Förderphase sollte das Modell so weit entwickelt sein, dass auch die Kooperationen mit dem B-Bereich, ohne die Mikrostruktur von Polymeren zu berücksichtigen, durchgeführt werden können. TP A6 wird zum Zwecke der Validierung des mehrskaligen Modells eng mit TP A3 (elastische Eigenschaften), TP C2 (Eigenspannungswerte von Schichtsystemen) und TP A4 (Scratch- und Indentationsversuche) zusammenarbeiten. In Zusammenarbeit mit TP B1 wird, basierend auf den experimentell ermittelten Grenzflächenei- genschaften, ein Schädigungsmodell unter Berücksichtigung lokaler Defekte der nanostrukturierten Schichten erarbeitet. In Kooperation mit TP B1 und B5 erfolgt die makroskopische Analyse der Schichten unter Dehnung sowie der Verbundeigenschaften. Um ein solches mehrskaliges Schädigungs- und Versagensmodell aufzubauen, müssen zusätzlich auf der Methodenebene neue Ansätze erarbeitet werden.

In dem Projekt ist eine Weiterentwicklung der Kohäsivzonenelementtechnik, der Finite-Elemente-Technologie für dünne mehrlagige Strukturen sowie geeigneter Methoden zum Skalenübergang geplant. Langfristig soll das in TP A6 entwickelte Modell dazu dienen, im Sinne einer Vermeidung von Schädigung und Versagen besonders günstige Konstellationen für Schichtaufbau und -eigenschaften auszuweisen. In Zusammenarbeit mit u.a. PB C ist zu klären, ob diese neuen Zusammensetzungen plasmatechnisch herstellbar sind.