Chemisch und galvanisch abgeschiedene Nanokomposite für die Mikrosystemtechnik
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden funktionale Beschichtungen, bestehend aus einer Nickelmatrix und nanoskaligen Partikeln (Al2O3 und TiO2), chemisch und galvanisch auf Stahlsubstraten abgeschieden. Dabei gelang es, besonders dünne Nanokomposite mit Schichtdicken von ≤ 5 μm ohne störende Initialschicht mit abweichenden Schichteigenschaften herzustellen. Durch den Einsatz von indirektem Ultraschall kann der hohen Agglomerationsneigung kleiner Primärteilchen (13 und 21 nm) wirkungsvoll entgegengewirkt werden, so dass diese homogen und feindispers in die Matrix inkorporiert werden. Es kann somit auf die Zugabe organischer Dispersionsadditive, welche die Badchemie negativ beeinflussen und eine Schaumbildung verursachen, verzichtet werden. Während bei chemisch abgeschiedenen Kompositschichten wegen deren amorphen Struktur keine Härtesteigerung beobachtet wird, kann bei galvanisch abgeschiedenen Kompositschichten eine Härtesteigerung von 50 % erreicht werden. Die Beständigkeit gegenüber Gleitverschleiß wird im Vergleich zur partikellosen Matrix für galvanische Dispersionsschichten um bis zu 50 % sowie für chemisch abgeschiedene nichtwärmebehandelte Nanokomposite um bis zu 56 % verbessert. Eine wichtige Aufgabe bestand darin zu klären, inwieweit die inkorporierte Menge an Titandioxid-Nanopartikel in einem Schichtsystem ausreicht, um photokatalytische Effekte, wie die Zersetzung von organischen Substanzen sowie die Erzielung antiseptischer Eigenschaften, zu initiieren. Die photokatalytische Aktivität konnte durch den Modellversuch der Methanolkonversion nachgewiesen werden. Verglichen mit reinem Titandioxid besitzen die chemisch abgeschiedenen Nanokomposite eine Aktivität von 7-8 % bei einem Kompositgehalt von 3-5 Vol.-%. Galvanisch abgeschiedene nano-Kompositschichten weisen eine sehr viel höhere photokatalytische Aktivität bis zu 24 %, bezogen auf reines Titandioxid, auf. Bei einer Inkorporationsrate von 7 Vol.-%, ist dieser große Wert ausschließlich mit einer Erhöhung der Aktivität der Nanoteilchen durch den feindispersen und homogenen Einbau in die Matrix zu erklären. Ein negativer Einfluss der elektrischen Eigenschaften durch den Einbau der verwendeten Nanopartikel kann nicht nachgewiesen werden. Ebenso ist keine Verschlechterung des Korrosionsverhaltens feststellbar. Die Schichten können durch die Inkorporation von Teilchen auf den Anwendungsfall angepasst und so Kontaktkorrosion minimiert werden. Somit können die sehr dünnen Schichten unter anderem im Bereich der Mikrosystemtechnik eingesetzt werden. Die durchgeführten Impedanzmessungen belegen den Einbau der nanoskaligen Teilchen in die elektrochemische Doppelschicht. Für die chemische Metallabscheidung wird ein zweistufiger Mechanismus der Metallreduktion gefunden. Für diesen kann mit steigendem Partikelgehalt die Instabilität des Systems nachgewiesen und somit die scheinbar spontane Metallabscheidung erstmals beschrieben werden. Aufbauend auf den positiven Ergebnissen zu den chemisch abgeschiedenen Nanokompositen des vorliegenden Forschungsvorhabens wird deren Integration in gezielt strukturierte anodische Oxidschichten von Aluminiumlegierungen untersucht. Die Komposite werden als Füllmaterial für die Porenstruktur anodisch oxidierter Schichten eingesetzt, um nachteilige Eigenschaften wie geringe Zähigkeit, hoher Reibwert, Sprödigkeit und fehlende elektrische Leitfähigkeit zu überwinden. Mögliche Anwendungen ergeben sich für den Bereich der Mikrosystemtechnik. Durch den Nachweis der Herstellbarkeit 5 μm dünner Nanokompositschichten ohne wesentliche Änderung der Mikrostruktur in der Übergangszone werden die Schichten für den Einsatz in der Elektroindustrie, vor allem für sehr kleine Bauteile, interessant. Der Nachweis der photokatalytischen Aktivität macht die Schichten zudem für eine Reihe interessanter Anwendungen, beispielsweise Selbstreinigung oder zum Erzielen antibakterieller Eigenschaften interessant. Insbesondere die detaillierten Erkenntnisse aus den Impedanzmessungen und der Charakterisierung und Modellbildung während der chemischen Metallabscheidung kann für die Modellierung von Elektrolyten besonders nutzbringend eingesetzt werden. Damit lassen sich Aussagen über die Stabilität eines Elektrolyten in einem definierten Parameterfeld gewinnen. Dies ist erweiterbar auf die Einschätzung der Wirkmechanismen weiterer organischer Zusätze (auch in Bezug auf den Mechanismus für die Metallabscheidung).
Publications
- Abscheidung und Werkstoffaufbau galvanischer Dispersionsschichten. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Vol. 39 (2008) Nr. 12, S. 897–900
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