Entwicklung keramischer Beschichtungen auf Aluminium und Kunststoffen durch Laserpyrolyse Partikel-gefüllter Silazane

• Antragsteller: Dr. Günter Motz; Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405583003

In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass sich die Precursortechnologie sehr gut für die Herstellung keramischer Schichten mittels Ofenpyrolyse eignet. Allerdings erlauben die erforderlichen hohen Temperaturen die Herstellung von keramischen Beschichtungen nur auf hochschmelzenden Substraten. Vor kurzem konnte von uns erfolgreich nachgewiesen werden, dass auch die Laserpyrolyse von Precursorbeschichtungen für die Erzeugung keramischer Schichten auf Stahlsubstraten einsetzbar ist. Die gezielte Einbringung der Laserstrahlung als Energiequelle für die Pyrolyse sollte jedoch zu einer Reduzierung der thermischen Belastung des Substrats führen, wodurch die Herstellung von Keramikschichten auch auf niedrigschmelzenden Substraten möglich sein sollte. Erste Laserbestrahlungsversuche von Beschichtungen auf Aluminium zeigten allerdings, dass dessen thermische Eigenschaften, wie der thermische Ausdehnungskoeffizient (TAK) und die Wärmeleitfähigkeit, einen großen Einfluss auf den Prozess haben. Die höhere Wärmeleitfähigkeit führt zu einer schnelleren Abführung der entstehenden Wärme. Darüber hinaus ist der Unterschied zwischen den TAKs des Substrats und der Schicht größer und erhöht damit auch die Spannungen. Diese Probleme führten zum Abplatzen der Beschichtungen während oder gleich nach der Laserpyrolyse. Daher sind die auf Stahl erfolgreich applizierten Beschichtungssysteme nicht einfach auf Aluminium oder Magnesium übertragbar, woraus sich ein intensiver Forschungsbedarf ergibt. Aus diesen Gründen sollen im Rahmen des Vorhabens zunächst Schichten speziell für die Laserpyrolyse auf Aluminium- und anschließend Magnesiumsubstraten entwickelt werden. Hierfür ist es erforderlich, die Zusammensetzung der Beschichtungen sowie die Prozessparameter systematisch zu variieren und deren Einfluss auf die Eigenschaften der resultierenden Beschichtungen zu untersuchen. Der darauf folgende sehr ambitionierte Entwicklungsschritt betrifft die Erzeugung precursorbasierter, keramischer Beschichtungen mittels Laserpyrolyse auf Kunststoffen. Auch aus der Literatur sind bisher keine derartigen Aktivitäten bekannt. Kunststoffe weisen eine noch geringere thermische Stabilität, sehr hohe TAKs und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Die daraus resultierende verringerte Wärmeabfuhr während der Laserpyrolyse kann zu einer unerwünschten Erhöhung der Substrattemperatur führen. Da die zu erwartenden Probleme nicht auf einmal lösbar sind, sollen zunächst Schichten für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe und schließlich für reine Kunststoffe entwickelt werden. Für alle Beschichtungen erfolgt eine umfassende Charakterisierung wichtiger mechanischer und physikalischer Eigenschaften sowie der chemischen Beständigkeit. Dabei sollen grundlegende Kenntnisse gewonnen werden, um auf Basis der Zusammensetzung der Beschichtungen und der ermittelten Prozessparameter eine gezielte Entwicklung von Keramikschichten auf unterschiedlichsten Substraten zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen