Grundlagenuntersuchungen zur Synthese neuartiger Nanokompositschichtsysteme mittels externer Nanopartikeleindüsung

Nanokomposite sowie deren Eigenschaftsprofil stehen seit Jahren im Fokus vieler Untersuchungen und aktueller Forschungsvorhaben im Gebiet der Dünnschichttechnologie. Sie stellen ein für ternäre und quaternäre PVD-Dünnschichten bereits grundlegend erforschtes Konzept zum Schutz vor tribo-mechanischer Belastung von Funktionsflächen dar. Nanokomposite sind vielversprechende Alternativen um die Grenzen herkömmlicher Mikrokompositionen oder monolithischer Werkstoffe, wie hohe Festigkeiten bei geringer Zähigkeit und Duktilität, zu erweitern.

Bislang unterliegt die Synthese der Schichtstruktur und Phasenkomposition den Einschränkungen der thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen während des Schichtwachstums und der daraus resultierenden Restriktionen für die Abscheidung zweier nicht mischbarer Phasen. Dies sorgt für eine Einschränkung der möglichen Schichtwerkstoffe und verhindert somit oft die Verwendung der herausragenden tribo-mechanischen Schichteigenschaften des Nanoverbundes.

Aus diesem Grund besteht der Ansatz des Vorhabens darin diese Einschränkungen durch eine örtlich getrennte Synthese der beiden Phasen auszuhebeln und erstmalig eine nahezu werkstoffunabhängige Abscheidung zu ermöglichen. Dies soll durch die Kombination einer Vorrichtung zur Nanopartikelinjektion, welche durch ein aerodynamisches Linsensystem realisiert wird, mit einer PVD-Sputteranlage erreicht werden. Dabei wird die Matrixkomponente, bestehend aus CrN mittels konventioneller Magnetron-Sputtertechnologie synthetisiert und zeitgleich ein Nanopartikelstrom aus TiN Partikeln eingeleitet, welche mittels eines atmosphärischen Lichtbogenreaktors synthetisiert werden. Verschiedene Veröffentlichungen belegen, dass die konventionellen Systeme TiCrN und CrTiN unabhängig vom Cr- bzw. Ti-Gehalt aus einer kristallinen fcc-Phase bestehen.

Der Lehrstuhl für Werkstofftechnologie fokussiert seine Untersuchungen auf die Wechselwirkungen und den Einfluss der Nanopartikel auf den Prozess der Schichtsynthese. Dabei werden die Mechanismen und Wechselwirkungen eingebrachter Fremdkörper in Form von Nanopartikel auf die Prozessführung und den schichtbildenden Prozess untersucht. Ziel ist es darüber hinaus, das Verständnis von Störgrößen des Arbeitsplasmas von PVD-Prozessen zu erweitern und den Einfluss von externen Trägergasen sowie Nanopartikeln zu ergründen. Neben Analysen auf struktureller Ebene werden die resultierenden tribo-mechanischen Schichteigenschaften der Nanokomposite ergründet. Insbesondere die Mechanismen zur Ausbildung der Schichtstruktur und die möglichen Vorgänge an den Phasengrenzen zwischen den Nanopartikeln und Matrixwerkstoff werden zum Verständnis der noch unerforschten Werkstoffklasse beitragen.

1. W. Tillmann, D. Kokalj, D. Stangier, Q. Fu, F.E. Kruis: Combination of an atmospheric pressured arc reactor and a magnetron sputter device for the synthesis of novel nanostructured thin films. Thin Solid Films 689 (2019), 137528. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.137528
2. Q. Fu, D. Kokalj, D. Stangier, F.E. Kruis, W. Tillmann: Aerosol synthesis of titanium nitride nanoparticles by direct current arc discharge method. Advanced Powder Technology 31 (2020), 4119-4128. doi: https://doi.org/10.1016/j.apt.2020.08.012
3. W. Tillmann, D. Kokalj, D. Stangier, Q. Fu, F.E. Kruis, L. Kesper, U. Berges, C. Westphal: On the synthesis and structural evolution of artificial CrN/TiN nanocomposites. Applied Surface Science 535 (2020), 147736. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147736
4. W. Tillmann, D. Kokalj, D. Stangier, Q. Fu, F.E. Kruis: Influence of the PVD process conditions on the incorporation of TiN nanoparticles into magnetron sputtered CrN thin films. Surface & Coatings Technology 409 (2021), 126935. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126935
5. W. Tillmann, D. Kokalj, D. Stangier, Q. Fu, F.E. Kruis: Bias-voltage effect on the TiN nanoparticle injection into magnetron sputtered CrN thin films towards nc-TiN/nc-CrN composites. Applied Surface Science Advances 6 (2021), 100149. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2021.100149

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