Keramische Schutzschichten auf C-faserverstärkten und unverstärkten Kunststoffen durch Laserpyrolyse 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

Im DFG Forschungsprojekt „Entwicklung keramischer Beschichtungen auf Aluminium und Kunststoffen durch Laserpyrolyse Partikel-gefüllter Silazane“ wurde erfolgreich gezeigt, dass es mittels Laserstrahlung möglich ist auf den niedrigschmelzenden Leichtmetallen keramische Schichten auf Basis der Precursortechnologie zu erzeugen, ohne die Substrate zu schädigen. Dabei konnten Probleme wie die stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TAK) zwischen der sich bildenden Keramikschicht und den Leichtmetallsubstraten sowie der hohen Wärmeleitfähigkeit der Substrate, die zu einer schnelleren Abführung der entstehenden Wärme führt, gelöst werden. Die so erzeugten Schichten zeichnen sich durch eine sehr gute Haftung, hohe Härte und Abrasionsbeständigkeit aus und schützen die Substrate auch effektiv vor Korrosion. Anschließend wurde versucht, die entwickelte Technologie auf kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe und reine Kunststoffsubstrate (PEEK, PA) zu übertragen, da es keinerlei Hinweise auf thermische Belastungen der Leichtmetallsubstrate gab. Trotz Modifizierung der Absorptionseigenschaften der Schichten und verringerter Laserleistung kam es jedoch durch die sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit während der Laserpyrolyse zu einem Wärmestau unterhalb der Schicht und somit zum Aufschmelzen der Kunststoffsubstrate. Diese Versuche lieferten aber wichtige Erkenntnisse, dass die Substrate zusätzlich vor Wärme geschützt werden müssen. Nach dem Ende der Projektlaufzeit wurden daher erste Versuche mit einer Wärmedämmschicht (WDS) durchgeführt, die vielversprechend verliefen. Dieses Konzept muss jedoch intensiv erforscht und die Anpassung der Beschichtungssysteme an die Laserpyrolyse speziell für Kunststoffsubstrate grundlegend neu erarbeitet werden. Zunächst ist es erforderlich, eine mechanisch und thermisch stabile WDS zu entwickeln, die nicht nur den Wärmefluss zum Substrat während der Laserbehandlung des Top-Coats minimiert, sondern die TAK-Unterschiede ausgleicht und eine sehr gute Anbindung sowohl zum Substrat als auch zum Top-Coat gewährleistet. Im Anschluss daran werden Top-Coats entwickelt, die perfekt auf die Eigenschaften der WDS und den entsprechenden Laserparametern zur erfolgreichen Keramisierung abzustimmen sind. Wesentliche Eigenschaften des Top-Coats sind die Erhöhung der Oberflächenhärte, die Verbesserung des Verschleißverhaltens und der chemischen Beständigkeit. Hierfür sind dichte, poren- und rissfreie sowie möglichst harte, chemisch stabile, gut haftende Schichten notwendig. Anschließend erfolgen zusätzliche Modifizierungen und Funktionalisierungen, um die Verschleißbeständigkeit der beschichteten Kunststoffe weiter zu verbessern bzw. elektrische und magnetische Eigenschaften zu erzeugen, die das Anwendungsspektrum der beschichteten Kunststoffsubstrate erweitern. Als Substrate kommen für den Leichtbau geeignete faserverstärkte und reine Polymere zum Einsatz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen