Atmosphärendruck-Plasmaoxidation von Aluminium - Mechanismus und elementare Schichteigenschaften - "AppoxAl"

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Peter Klages
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442139348

Die große und noch ständig wachsende Rolle von Aluminium und Al-Legierungen in Alltagsprodukten wird erst ermöglicht durch eine kinetische Stabilisierung gegen Oxidation und Korrosion – trotz einer thermodynamischen Instabilität gegenüber der Oxidbildung unter Umgebungsbedingungen. Die kinetische Stabilität ist auf die Bildung eines nur wenige Nanometer dicken nativen Oxids mit dem Umgebungssauerstoff bei niedrigen Temperaturen zurückzuführen. Für eine Reihe optischer, elektrischer, elektrochemischer oder Automobil-Anwendungen wäre es wünschenswert, die Oxiddicke durch einen kostengünstigen umweltfreundlichen Prozess zu vergrößern. Atmosphärendruck-Plasmaprozesse könnten eine brauchbare Lösung darstellen.Im beantragten Projekt soll der Stand des Wissens auf dem Gebiet der plasmaunterstützten Oxidation von Aluminium bei Atmosphärendruck mit dielektrisch behinderten Entladungen, der bisher nur schwach entwickelt ist, erheblich erweitert werden. Die Rollen von oxidierenden Spezies in DBEen wie atomarer Sauerstoff, Ozon oder Distickstoffmonoxid wie auch Effekte der VUV-Strahlung oder des Kontakts mit Streamer-Mikroentladungen in filamentierten DBEen sollen aufgeklärt werden.Um diese Ziele zu erreichen, wird ein experimenteller Ansatz verfolgt, begleitet von einer vereinfachten Modellierung der plasma- oder photochemischen Gasphasenkinetik, die es erlaubt, mittlere Dichten oder Flüsse von potentiell relevanten Spezies abzuschätzen, um die Modellergebnisse mit dem Oxidwachstum zu korrelieren. Die Ergebnisse werden validiert durch Messung der Konzentration von Ozon oder Distickstoffmonoxid im Abgas der Entladung sowie durch Messungen der optischen Emission angeregter O-Atome unter Benutzung von Xenon als aktinometrische Referenz. Für die Experimente werden drei Typen von Reaktoren benutzt: (1) Ein kombinatorischer 2D-Gradientenreaktor, der es erlaubt, in einem einzigen Versuch mehrere Temperaturen und Konzentrationen einzusetzen, (2) ein Einzelfilamentreaktor, der die Fixierung eines Filaments auf der Al-Oberfläche erlaubt und (3) ein photochemischer Reaktor für die VUV-Bestrahlung der Al-Oberfläche in kontrollierter Gasatmosphäre mit Photonen-Energien ober- oder unterhalb der Energie der Bandlücke des Oxids. Die Experimente werden von eingehender elektrischer, optischer und analytischer Prozesscharakterisierung begleitet. Alle gebildeten Oxidschichten werden bezüglich Dicke und Zusammensetzung untersucht. Einzelfilament-Versuche werden ortsaufgelöst bezüglich Oxiddicke und –zusammensetzung ausgewertet.Da Aluminium Prototyp eines passivierenden Metalls ist, werden die Ergebnisse des Vorhabens auch für andere passivierende Metalle von Interesse sein und wegen der ökologischen und ökonomischen Vorteile der DBE auch unter Anwendungsgesichtspunkten von erheblicher Bedeutung. Daher werden durch elektrische und elektrochemische Untersuchungen erste Hinweise auf das Anwendungspotenzial der DBE-generierten Oxidschichten erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen