MAXCoat - Synthese und Eigenschaften von MAX-Funktionsschichten

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Schaaf
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 48226766

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurde die Herstellung und Optimierung von MAX Phasen als dünne Beschichtungen mittels gepulster Laserabscheidung untersucht. Die Darstellung von MAX-Phasen mittels PLD führte nicht zum Erfolg. Basierend auf dieser Erkenntnis wurden als Vorstufe zu MAX-Schichten Multischichtstapel aus dünnen elementaren Einzellagen der Elemente M, A und X, sowie aus teils reaktiven Einzellagen MX und A mittels Magnetron-Sputtern hergestellt. Hierzu wurde die entwickelte PLD-Methodik für die Berechnung der Dicke der einzelnen Schichten für die spätere Phasensynthese verwendet. Im Anschluss an die Herstellung der Precursoren (Multi-Schichtsysteme) erfolgt ein sehr schneller und Substrat-schonender Temperschritt bei der für die Phasenbildung notwendigen Temperatur von max. 30s. Mit diesem Verfahren konnten die MAX-Phasen Ti3 SiC2 , Cr2 AlC und Ti2 AlN als dünne Schichten auf Silizium-Substraten dargestellt werden. Mikrotribologische Untersuchungen von MAX Schichten zeigen, dass Ti3 SiC2 für tribologische Anwendungen auf Grund des Verschleißmechanismus Tribooxidation gegen Wälzlagerstahl ein potentieller Kandidat für die tribologische Anwendungen darstellt. Die Ti2 AlN und Cr2 AlC Schichten weisen im Vergleich zu ihren Precursorn höhere Verschleißbeständigkeiten. Auch bei der kombinierten tribologischen und elektrischen Beanspruchung zeichnet sich Ti3 SiC2 als stabiles Schichtmaterial aus. So kann dieses System in Zukunft zu Anwendungen im Bereich von elektrisch und tribologisch beanspruchten Kontakten eine gute Materialalternative zu den bisher verwendeten Edelmetallen (u.a. Silber, Gold) darstellen bzw. Anteile dieser Materialien ersetzen und sogar die tribologischen und elektrischen Eigenschaften derartiger Kontaktsysteme verbessern. Die Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen von Mn+1 AXn Schichten zeigen, dass diese im Vergleich zu Bulk-Materialien etwas stabiler gegen Korrosion in HCl bzw. H2 SO4 Lösungen sind. Die besten Korrosionseigenschaften wurden für Ti3 SiC2 ermittelt. Untersuchungen zur Selbstheilung der Mn+1 AXn Phasen haben gezeigt, dass diese durch Oxidation bei gleichzeitiger Zersetzung der Mn+1 AXn Phase durchaus in der Lage sind kleine Risse auszuheilen. Für relativ große tribologische Schädigungen ist eine teilweise Selbstheilung möglich. Insgesamt ist das Projekt sehr erfolgreich verlaufen. Zwar führte die ursprünglich geplante PLD nicht zum Erfolg, aber die Experimente haben dadurch zu einer sehr erfolgreichen und universellen Methode geführt, MAX Beschichtungen herzustellen. Dies konnte für mehrere Mn+1 AXn Phasen gezeigt werden. Dadurch wurde es auch möglich, die Eigenschaften von MAX Schichten zu untersuchen, was bisher an einphasigen Schichten nicht möglich war. Es zeigt sich, dass die Eigenschaften der reinen MAX Schichten durchaus von den gesinterten MAX buld Proben abweichen. Interessante Anwendungen scheinen möglich und sollten weiter untersucht werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Thin Film Synthesis of Ti3 SiC2 by Rapid Thermal Processing of Magnetron-Sputtered Ti-C-Si Multilayer Systems In: Adv. Eng. Mater. 15 (2013), Nr. 4, S. 269–275
  Hopfeld, Marcus ; Grieseler, Rolf ; Kups, Thomas ; Wilke, Marcus ; Schaaf, Peter
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201200180)
• Nanostructured Plasma Etched, Magnetron Sputtered Nanolaminar Cr2 AlC Max Phase Thin Films In: Appl. Surf. Sci. 292 (2014), S. 997–1001
  Grieseler, Rolf ; Hähnlein, Bernd ; Stubenrauch, Mike ; Kups, Thomas ; Wilke, Marcus ; Hopfeld, Marcus
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.12.099)
• Preparation and application of nanolaminar Mn+1 AXn phase thin films – MAX-Coat. Forschungsbericht. Version: 2014
  Institute of Micro- and Nanotechnologies MacroNano, Ilmenau
  
• Tribological behavior of selected Mn+1 AXn phase thin films on silicon substrates In: Surface and Coatings Technology 257 (2014), Oktober, S. 286–294
  Hopfeld, Marcus ; Grieseler, Rolf ; Vogel, Anneka ; Romanus, Henry ; Schaaf, Peter
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.034)