Funktionelle Schichten und Oberflächentechnologie

© Fraunhofer IFAM Dresden

Hochporöse Bioglasschicht auf metallischen Hohlkugeln (316L)

Am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Dresden werden spezielle, kostengünstige Verfahren entwickelt, mit denen sich auch komplizierte Geometrien reproduzierbar beschichten lassen. Ein besonderer Schwerpunkt ist die Entwicklung neuer Technologien, durch die die Leistungsfähigkeit und die Funktionalität von metallischen Werkstoffen signifikant erhöht werden können (z. B. Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, spezifische Oberfläche, Biofunktionalisierung, katalytische Aktivität und Selektivität, sensorische Eigenschaften usw.). Für Beschichtungen werden insbesondere nasschemische Verfahren wie die Liquid Phase Deposition (LPD), z. B. Tauch- oder Sprühbeschichtung, zur Anwendung gebracht. Gegebenenfalls werden aber auch andere Methoden wie beispielsweise Chemical Vapour Deposition (CVD) oder galvanische Verfahren angewendet.

 

 

Anwendungen

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TiO2-Schicht auf offenzelligem Metallschaum

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Gefüllte SiCN-Schicht für den Hochtemperaturoxidationsschutz von Baustahl (ST37)

  • Oxidations- und Korrosionsschutz
    Funktionelle Schichten erlauben die Anwendung der behandelten Materialien bei erhöhten Temperaturen und unter korrosiven Bedingungen.
  • Katalysatortechnik
    Kombiniert leichte, duktile Katalysatorträger mit hochporösen Schichten mit großer Oberfläche und definierter Porengröße und -form und aktiven Zentren.
  • Adsorption
    Permeable Materialien mit großer Oberfläche für die Gastrocknung und Gasreinigung.
  • Medizin- und Implantattechnik
    Permanente und abbaubare Schichten für Implantate.
  • Biotechnologie und Lebensmitteltechnik
    Immobilisierung von Mikroorganismen und Enzymen.
  • Sensorik
    Gasanalyse und Prozessüberwachung
  • Chemische Verfahrenstechnik
    Hochporöse Schichten mit definierter Porengröße und -form für Mikroreaktoren
  • Interface Material
    Interface Layer mit einstellbarer elektrischer und thermischer Leitfähigkeit oder Isolation

Technologie

Liquid Phase Deposition (LPD)

Kostengünstige Methode, erprobt aus der Lacktechnologie, erlaubt auch die Beschichtung von größeren Bauteilen mit anspruchsvoller Geometrie.

  • Tauchbeschichtung
  • Sprühbeschichtung
  • Sol / Gel - Methoden

Struktur

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Schichten oben und unten

Diffusion von Elementen aus der Schicht in das Substrat führt zur Ausbildung einer Zwischenschicht – der Grund für die gute Haftfestigkeit im Vergleich zu physikalisch aufgebrachten Schichten.

Material

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Hochporöse Bioglasschicht auf metallischen Hohlkugeln (316L)

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AgO-Schicht auf Faserstruktur (hochporös, Katalysatorträger)

Substratstrukturen

  • Offenzellige Metallschäume, metallische Hohlkugeln, gesinterte Hohlkugelstrukturen, metallische Faserstrukturen
  • Metallbleche und -profile


Beschichtungsmaterial (Precursor)

  • Anorganische Polymere: Polysilazane, Polysiloxane, Polycarbosilane
  • Metallalkoxide
    (M(OR)x)M = Si, Al, Ti, Zr…
  • Biogläser


Füllstoffsysteme

Der Einsatz von Füllstoffsystemen vergrößert die Funktionalität der Schichten hinsichtlich ihrer thermischen Ausdehnung, Härte, elektrischen und thermischen Leitfähigkeit. Die Füllstoffsysteme werden für jede Anwendung individuell entwickelt.

Eigenschaften

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Oxidationstest: 1.100 °C, Luft, 400 h

  • Dichte oder poröse Keramikschichten oder Hybride aus organisch-anorganischen Schichten
  • Dicke: 100 nm bis 200 µm
  • Sehr gute Haftung auf dem Substrat
  • Hochtemperaturstabil
  • Oxidations- und korrosionsresistent
  • Porengröße und -form einstellbar

Beispiele

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BET-Oberfläche beschichteter metallischer Hohlkugeln nach Pyrolyse bei 800 °C

Dichte SiCN - Schicht

  • Schichtmaterial: SiCN - Keramik aus Polysilazan
  • Substrat: gesinterte Hohlkugelstruktur
  • Material 1.4767 (Fe-20Cr-6Al)
  • Schichtdicke: 7 µm


Hochporöse Keramikschichten

  • Substrat: metallische Hohlkugel
  • 316L
  • Schichtdicke: 10 µm