Entwicklung reibungsarmer ta-C:Si-Dünnschichten
Diamond-like Carbon (DLC) Dünnschichten gehören zu einer vielseitigen Werkstoffklasse, die aufgrund ihrer hohen Härte, geringen Reibung und ausgezeichneten Verschleißbeständigkeit in zahlreichen tribologischen Anwendungen eingesetzt wird. Besonders die tetraedrisch amorphen Varianten (ta-C) sind aufgrund ihrer hohen Härte von bis zu 70 GPa für anspruchsvolle Einsatzbedingungen interessant, stoßen jedoch bei hohen Temperaturen an ihre Grenzen. Durch das Hinzulegieren von Silizium lässt sich die thermische Stabilität solcher Schichten erhöhen, da Si–C-Bindungen und schützende SiOx-Schichten die thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit verbessern. Aktuelle Forschung konzentriert sich daher verstärkt auf die Entwicklung von ta-C:Si-Dünnschichten, um deren Eigenschaften für industrielle Anwendungen bei höheren Temperaturen von bis zu 500 °C weiter zu optimieren.
Forschende vom Lehrstuhl für Werkstofftechnologie haben in Zusammenarbeit mit der Firma Oerlikon Balzers Coating Germany GmbH und der Experimentellen Physik 2 ta-C:Si-Dünnschichten mit variierenden Siliziumanteilen mittels kathodischer Lichtbogenverdampfung abgeschieden und umfassend charakterisiert. Durch den Einsatz von Graphit-Compoundkathoden mit 2,5 und 5 At.-% Silizium sowie reinen Graphitkathoden konnte ein breiter Silizium-Konzentrationsbereich von 0,1 bis 6,6 At.-% realisiert werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Härte der Schichten mit steigendem Silizium-Gehalt zwar abnimmt, aber selbst bei hohen Konzentrationen noch sehr hohe Werte von etwa 45 GPa erreicht, während bei geringen Silizium-Anteilen von unter 1 At.-% Härten bis zu 70 GPa möglich sind. Raman-Analysen belegen, dass diese Härteabnahme auf strukturelle Veränderungen im amorphen Netzwerk zurückzuführen sind. Tribometer-Tests verdeutlichen zudem, dass ta-C:Si-Dünnschichten mit höherem Si-Gehalt eine kürzere Einlaufphase, geringeren Gegenkörperverschleiß und stabile, niedrige Reibwerte (μ < 0,2) über lange Gleitstrecken aufweisen. Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse, dass eine präzise Einstellung des Silizium-Gehalts entscheidend ist, um die tribo-mechanischen Eigenschaften von ta-C:Si-Dünnschichten gezielt an industrielle Anforderungen anzupassen.
Die vollständigen Ergebnisse zur Untersuchung der ta-C:Si-Dünnschichten wurden in der Special Issue „50th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF 2024)” der Fachzeitschrift „Surface and Coatings Technology” veröffentlicht.
Die Veröffentlichung steht unter folgendem Link zur Verfügung:
Verfasst von Nelson Filipe Lopes Dias, 17.11.2025