Plasma-Partikeltechnik

Ein technologischer Schwerpunkt am Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST in Göttingen ist die Plasma-Partikeltechnik. Hier konzentrieren sich die Arbeiten auf die Erzeugung bzw. Modifikation von Partikeln sowie die Plasmabeschichtung unter Verarbeitung ultrafeiner Pulver. 

Die technologische Basis der Plasma-Partikeltechnik bilden überwiegend am Anwendungszentrum entwickelte Anlagen und Verfahren. Hierzu zählen:

• Bogenentladungsquelle zur Synthese von Kohlenstoff-Nanopartikeln
• Atmosphärendruck-Sputterjet zur Synthese von Nanopartikeln sowie zur Erzeugung von Schichten
• Niederdruck-Sputteranlage zum allseitigen Beschichten von Mikro- und Nanopulvern
• Plasmareaktor für die Funktionalisierung von Pulvern
• Plasmajet mit Flüssigkeitzerstäuber zur Verarbeitung von Lösungen und Dispersionen für Beschichtungszwecke
• Plasmajet mit Pulver-Fördersystem zum sicheren Einsatz von Partikeln für die Herstellung von Beschichtungen

Mit den verfügbaren Systemen kann eine große Bandbreite von Materialien erzeugt und verabeitet werden. Das Spektrum erstreckt sich von Metallen und Metalloxide, Keramiken und Kompositen bis hin zu Polymerpulvern.

Darüber hinaus umfasst die Plasma-Partikeltechnik die Beschichtung und Veredelung von Objekten unterschiedlichster Art und Geometrie – von dünnsten Folien bis hin zu komplexen, dreidimensionalen Baukörpern.

Unser Angebot

• Individuelle Lösungskonzepte
• Machbarkeitsstudien
• Prototypenfertigung
• Technologietransfer
• Beratung bei der Realisierung neuer Produktoptionen

Am Anwendungszentrum des Fraunhofer IST werden Mikro- und Nanopartikel zum einen durch die Zerstäubung verschiedender Metalle mit einem Atmosphärendruck-Sputterjet erzeugt. Zum anderen werden Kohlenstoffpartikel durch die Sublimation von Grafitstäben in einer Bogenentladungsquelle hergestellt. Die Partikel können entweder direkt als Nanocluster auf verschiedenen Oberflächen abgeschieden oder zur weitergehenden Verabeitung bzw. Modifikation aufgefangen werden.

Um Mikro- und Nanopartikel mit spezifischen Eigenschaften auszustatten, werden diese mit Plasma bei Atmosphärendruck oder Niederdruck behandelt. Die Partikeloberflächen werden dabei mit Funktionsgruppen oder Schichten ausgestattet und so deren optische, elektrische, magnetische oder chemische Eigenschaften gezielt verändert. Durch eine Modifikation der Oberfläche von Edelmetallpartikeln wie Gold gelingt es beispielsweise, die Benetzbarkeit durch Flüssigkeiten zu optimieren und dadurch stabile wässrige Dispersionen herzustellen. Darüber hinaus können durch eine Beschichtung die Fließfähigkeit und die Vereinzelbarkeit der Partikel verbessert werden, indem die Kohäsion der einzelnen Teilchen untereinander sowie eine unerwünschte Haftung an Oberflächen minimiert werden. Damit wird die Voraussetzung für eine optimale Verarbeitbarkeit von Partikeln geschaffen, die für Plasma-Spritzprozesse und insbesondere beim neuartigen Kalt-Plasmaspritzen eingesetzt werden.  

Anwendungsbeispiel: Funktionspartikel für elektrische Messtechnik

Bei elektrischen Widerstandsmessungen an Objekten, wie z.B. die Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien, ist es oftmals unmöglich, eine niederohmige zerstörungsfreie und trotzdem stabile Kontaktierung herzustellen. Modifizierte Partikel bieten hier eine Lösung und ermöglichen eine zuverlässige Messwerterfassung. In einer am Anwendungszentrum entwickelten Messsonde zur nicht-invasiven Widerstandsmessung für Battriefolien werden magnetisierbare Mikropartikel mit einer elektrisch hochleitfähigen Silberschicht versehen. Durch einen Trägermagneten bilden die Partikel ein dreidimensionales Gebilde mit antennenartigen Strukturen, welches sich formschlüssig auch an komplizierte Oberflächenstrukturen anpasst und eine hervorragende Kontaktierung gewährleistet.

Unser Angebot

• Plasma-baserte Partikelerzeugung von z.B. Au, Ag, Cu, Wo, C
• Plasmabeschichtung von Partikeln mit Kohlenstoff und Metallen wie z.B. Ag, Ti, TiN, Al, Cu und Zn
• Funktionalisierung von Partikeloberflächen
  

Um die erzeugten und modifizierten Mikro- und Nanopartikel weiterzuverarbeiten, wird am Anwendungszentrum das sogenannte Kalt-Plasmaspritzen eingesetzt. Mit Hilfe eines kalt-geregelter Plasmastrahls werden dabei die Partikel auf das zu beschichtende Substrat gespritzt.

Weitere Informationen zum Kalt-Plasmaspritzen