Oxidschichten für hohe Temperaturen

Oxidschichten, die am Fraunhofer IST hergestellt und untersucht werden, können Metallwerkstoffe wirksam vor einer Zerstörung durch Heißgas-Korrosion schützen. In Verbrennungsräumen von z. B. Gasturbinen bestimmen diese maßgeblich die Lebensdauer der Bauteile.

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Kalt-Plasmaspritzen für dreidimensionale Schaltungsträger

Das am Fraunhofer IST entwickelte Kalt-Plasmaspritzen ermöglicht eine selektive Metallisierung von Polymerbauteilen ohne den Einsatz von Nasschemie und ohne Vor- oder Nachbehandlungsschritte.

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Gasfluss-gesputterte Siliziumschichten

Da reines Silizium seit Jahrzehnten das Basiselement der Mikroelektronik ist, werden neuartige Silizium-Abscheideprozesse entwickelt und untersucht. Einer dieser Prozesse nutzt das am Fraunhofer IST entwickelte Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern (GFS).

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Neue Materialien für schaltbare Verglasungen

Die Nachfrage nach schaltbaren Verglasungen steigt aus Gründen des Komforts und wachsender Energiekosten stetig. Die dafür benötigten elektrochromen Schichten werden am Fraunhofer IST entwickelt.

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Siliziumschichten für Heterostruktursolarzellen

Die heißdraht-aktivierte Gasphasenabscheidung stellt eine vielversprechende Technologie für eine kostengünstige Abscheidung von defektarmen Siliziumschichten dar. Aus diesem Grund nutzt das Fraunhofer IST dieses Verfahren, um es im Hinblick auf seine Eignung zur Herstellung hocheffizienter SHJ–Solarzellen, insbesondere für Anwendungen im Automobilsektor zu untersuchen.

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Oxidschichten für hohe Temperaturen

In Hochtemperatur-Verbrennungsprozessen wie Gaskraft- oder Flugtriebwerken sind Metalloberflächen extremen Temperaturen ausgesetzt. Oxidschichten, die am Fraunhofer IST hergestellt und untersucht werden, können Metallwerkstoffe wirksam vor einer Zerstörung durch Heißgas-Korrosion schützen. In Verbrennungsräumen von z. B. Gasturbinen bestimmen diese maßgeblich die Lebensdauer der Bauteile. Elektrische Isolationsschichten auf Oxidbasis ermöglichen zudem auch den Einsatz von sensorischen Funktionsschichten auf Bauteilen. Gerade in Hochtemperatur-Umgebungen (>1000 °C) ist die Aufgabe von Oxidschichten besonders anspruchsvoll.

Röntgendiffraktogramme von gesputterten Al2O3-Schichten. Oben: mit Chromoxid-Unterlagenschicht; unten: ohne Chrom­oxid. Jeweils abgeschieden bei vergleichbaren Bedingungen.
© Fraunhofer IST

Röntgendiffraktogramme von gesputterten Al2O3-Schichten. Oben: mit Chromoxid-Unterlagenschicht; unten: ohne Chrom­oxid. Jeweils abgeschieden bei vergleichbaren Bedingungen.

Oxidschichten für hohe und höchste Temperaturen

Metallwerkstoffe, die anwendungsbedingt sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, benötigen eine schützende Deckschicht, für die zumeist Chrom oder Aluminium verwendet wird. Die bei hohen Temperaturen gebildeten Schichten aus reinem Chromoxid (Cr2O3) oder reinem Aluminiumoxid (Al2O3) müssen gut haften, dicht und rissfrei sein, ausreichend langsam wachsen und dürfen nicht nennenswert abdampfen. Bei Temperaturen über 1000 °C erfüllt praktisch nur die thermo­dynamisch stabile Hochtemperaturphase des Aluminium­oxids (α-Al2O3, Korund) diese Bedingungen.

Die stabile Phase des Aluminiumoxids lässt sich thermisch aus geeigneten Oxidbildnern wie z. B. MCrAlY herstellen. Das Wachstum von Aluminiumoxid erfolgt von außen nach innen durch Diffusion von Sauerstoffionen an die Grenzfläche zum Metall. Die Zugabe von Legierungselementen wie Yttrium zu den Oxidbildnern verbessert die Haftung und die Lebensdauer solcher Schutzschichten. Die linke obere Abbildung zeigt ein thermisch gewachsenes Aluminiumoxid, das sich bei 1050 °C auf einer FeCrAl-Legierung ausgebildet hat.

Gesputterte Aluminiumoxid-Schichten

Gut haftende Schutzschichten aus reinem Aluminiumoxid können auch mit Dünnschichtverfahren, z. B. mittels reaktivem Gasfluss-Sputtern auf geheizten metallischen Bauteilen aufgebracht werden (vgl. obere mittlere und rechte Abbildung). Entscheidend ist dabei, dass möglichst schon vor dem ersten Einsatz bei hohen Temperaturen die α-Phase in der Schicht vorliegt. Ein Aufheizen der Niedertemperaturphase (γ-Al2O3) über die Schwelle von 1000 °C würde durch die Phasenumwandlung zu einer starken Volumenänderung und damit zum Versagen des Schichtverbunds führen. Außerdem können Poren in der Schicht entstehen, die die Anwendung beeinträchtigen. Versuche am Fraunhofer IST haben gezeigt, dass mittels Ionenunterstützung oder geeigneten Unterlagenschichten die Bildung der α-Phase bereits bei Abscheidetemperaturen von ca. 830 °C gefördert wird. Die obere rechte Abbildung zeigt anhand Röntgen-Diffraktogrammen reaktiv gesputterter Aluminium­oxidschichten, dass eine Chrom-Unterlagenschicht die Entstehung der rhomboedrischen Korundphase begünstigt.

Ausblick: Oxidschichten für Hochtemperatur-Sensorik

Rissfreie und dichte Barriereschichten aus Aluminiumoxid sind auch zur Integration elektrischer Zusatzfunktionen auf Bauteilen in einer Hochtemperatur-Umgebung eine wichtige Komponente. Sensorik, Aktorik und elektrische Informationsübertragung werden erst durch hochwertige, temperatur- und zyklierbeständige Isolationsschichten möglich. Gute Isolationseigenschaften werden bei Schichtdicken von mehreren Mikrometern erreicht. Mittels konventionellem Magnetronsputtern lassen sich gute und haftfeste Schichten auftragen. Ein Nachteil sind jedoch die verhältnismäßig niedrigen Depositionsraten und eine aufwändige Prozess­regelung. Hier bietet das reaktive Gasflusssputtern die Möglichkeit, hohe Raten bei einer einfachen Prozessführung zu erreichen. Parallel zur Entwicklung der Isolationsschichten werden am Fraunhofer IST auch Hochtemperatur-Sensorschichten, z. B. für die Dehnungsmessung, untersucht.

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