Keramische SiCN-basierte Hartstoffschichten für thermisch hoch beanspruchte Substratwerkstoffe
Final Report Abstract
In diesem Vorhaben wurden SiCN-basierte Schichtmaterialien mit den Verfahren PVD-Sputtern, PA-CVD (mittels Single-Source-Precursoren) und Sol-Gel-/Polymer-Processing synthetisiert. Die Schichten bzw. die Schicht-Verbundsysteme wurden einer grundlegenden Mechanismen-basierten Betrachtung hinsichtlich ihrer Eigenschaftsprofile unterzogen. Einen besonderen Schwerpunkt bildeten Untersuchungen zum Hochtemperaturverhalten der SiCN- Materialien. Die Arbeiten, die im Fachgebiet Disperse Feststoffe der TU Darmstadt im Rahmen des Projektes durchgeführt wurden, beziehen sich auf folgenden Arbeitspakete: (AP1) Auswahl der Substratwerkstoffe und der Beschichtungsmaterialien; (AP2) Synthese der Ausgangsmaterialien für PA-CVD und Sol-Gel; (AP3) Synthese der Schichtmaterialien; (AP4) Grundlegende Prüf- und Untersuchungsmethoden zur Schichtcharakterisierung unter besonderer Berücksichtigung von Methoden zur Strukturaufklärung; (AP5) Untersuchung der Hochtemperatureigenschaften. Die Ergebnisse, die im Rahmen des vorliegenden Projektes erzielt wurden, weisen auf ein hohes Potential der SiCN-basierten Materialien für Hochtemperaturanwendungen wie Wärmedämmschichten (thermal barrier coatings, TBCs) und Korrosionsschutzschichten (environmental barrier coatings, EBCs). Auch tribologische Anwendungen bei hohen Temperaturen sind denkbar. Künftige Arbeiten sollen sich mit der weiteren Optimierung der Beschichtung dieser Materialien, die vor allem für dicke keramische Schichten (d.h. Schichtdicken von > 10 µm) noch Verbesserung bedarf. Die im Rahmen des vorliegenden Projektes erzielten Schichtdicken sind für Anwendungen als EBCs durchaus geeignet, jedoch nicht ausreichend für die Anwendung als TBCs. Aufgrund der hervorragenden intrinsischen Hochtemperatureigenschaften der keramischen SiCN-Materialien (z.B. Beständigkeit bis zu Temperaturen >> 1000 °C gegen Zersetzung, Kristallisation, Thermoschock-Beständigkeit, Ultrahochtemperatur-Kriechfestigkeit, sehr geringe Wärmeleitfähigkeit etc.), wird eine Erhöhung der Schichtdicke im Hinblick auf den realistischen Einsatz von SiCN-Schichten als Wärmedämmschichten von ausschlaggebender Bedeutung sein. In diesem Zusammenhang laufen bereits Kooperationsarbeiten mit Prof. Martin Heilmaier (Karlsruher Institut für Technologie), die den Einsatz SiCN-Schichten als EBCs/TBCs auf Ultrahochtemperatur-stabilen Metallsubstraten (basierend auf Mo-Si-B-Legierungen) erproben sollen.
Publications
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"Influence of the PVD sputtering method on structural characteristics of SiCN-coatings – comparison of RF-, DC- and HiPIMS-sputtering and target configurations", Surf. Coat. Tech., 205(2) (2011) S119-S123
Casper Pusch, Holger Hoche, Christina Berger, Ralf Riedel, Emanuel Ionescu, Andreas Klein
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12th European Ceramic Society Conference, Stockholm, Schweden 2011, "Sol-Gel Processes: Molecular Approaches to Precursor-Derived Ceramics"
Emanuel Ionescu, Ralf Riedel
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13th International Conference on Plasma Surface Engineering, Garmisch- Partenkirchen, Deutschland 2012, "PVD and PACVD-SiCN-based Coatings for Ultra High Thermal Loads: Comparison of Structural, Mechanical and Thermal Properties"
Casper Pusch, Holger Hoche, Ralf Riedel, Emanuel Ionescu, Claudia Fasel, Matthias Oechsner
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10th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology, San Diego, USA 2013, "Tailored Functionality in Ceramic Materials: Bottomup Synthesis Strategies"
Ralf Riedel, Emanuel Ionescu
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GDCh- Wissenschaftsforum 2013, Darmstadt, Deutschland 2013, "Novel SiCN Ceramic Coatings Prepared via Pyrolysis of Polysilylcarbodiimides and PVD Techniques - Role of Processing Route on their Phase Composition and Microstructure"
Klausmann, J. Türck, C. Pusch, G. Mera, H. Hoche, A. Klein, E. Ionescu, R. Riedel
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21st International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials, Cancun, Mexico 2014, "Amorphous and Nanostructured Ceramics from Silicon-Based Molecular Precursors"
Ralf Riedel, Emanuel Ionescu, Kaishi Wang, Rajendra Bordia
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4th International Symposium on SiAlONs and Non-Oxides, Nagahama, Japan 2014, "Polymer-Derived Non-Oxide Ceramics for Energy Applications"
Ralf Riedel, Emanuel Ionescu, Magdalena Graczyk-Zajac
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CIMTEC 2014, Montecatini Terme, Italien 2014, "High-Temperature-Stable Ceramic Nanocomposites"
Ralf Riedel, Emanuel Ionescu
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Materials Science and Engineering, Darmstadt, Deutschland 2014, "Polymer-Derived Ceramics: Tailor-Made Functional Materials for Energy-Related Applications"
Ralf Riedel, Emanuel Ionescu
