Last Update: 2019-02-07
PROJEKTE
FFG Projekt 865011 (ab März 2018)
"Paradigmenwechsel im Legierungskonzept von Leichtmetallen mit intrinsischer Nachhaltigkeit für Struktur-Anwendungen"
"PL2N A"
Das Konzept der High Entropy Alloys(HEAs) soll in PL2N A auf Leichtmetalle und -legierungen niedriger Dichte erweitert werden. Das internationale Fehlen eines gültigen Modelles zur Vorhersage von solchen Legierungen macht es notwendig, auf grundlagenwissenschaftlicher Ebene mittels
experimenteller (Sputtering) und numerischer Screening-Methoden (DFT, CE und MC) Legierungsbibliotheken im Dichtebereich <6 g/cm3 erstmalig herzustellen und zu charakterisieren. Die Ergebnisse dienen als Fundament zur Erweiterung bestehender Modelle, und mittelfristig zur
Etablierung der Vorhersagbarkeit dieser Legierungen. Die Ergebnisse von PL2N A sollen dazu dienen, das Potential von Legierungen auf Basis von Leichtmetall HEAs aufzuzeigen und so Österreich frühzeitig in einer Vorreiterrolle auf dem Gebiet zu positionieren. Das Konsortium von
PL2N A beinhaltet international ausgewiesene Experten aller notwendigen Methoden und kann so die maximale Wirkung des Projektes realisieren.
EU H2020 Project 785414-HIPERFAN-H2020-CS2-CFP06-2017-01 (ab März 2018)
"HIgh PERformance Journal Bearing Technology for new geared TurboFAN generations"
"HIPERFAN"
Im Rahmen dieses Projektes sollen neue Gleitlagerbeschichtungen für sogenannte "Geared Turbofan Engines" entwickelt werden. Dabei handelt es sich um Flugzeugtriebwerke bei denen die Ansaugturbine und die Verdichterturbinen nicht mit gleicher Drehzahl laufen, sondern über ein Getriebe miteinander verbunden sind.
Insbesondere die Laufflächen der Getriebekomponenten sind extremen mechanischen Belastungen ausgesetzt und müssen gleichzeitig höchste Verlässlichkeit aufweisen, welche den hohen Anforderungen der Luftfahrtindustrie genügt. Der Benefit einer solchen Lösung liegt im drastisch reduzierten Treibstoffverbrauch, weshalb das gegenständliche Projekt teil des EU-Programmes "Clean Sky 2" ist.
Um diesem anspruchsvollen Anwendungsprofil gerecht zu werden sollen neuartige Mehrlagenmaterialien mit massgeschneiderter Mikrostruktur und gradierter Zusammensetzung entwickelt werden. Dies soll mittels einer Beschichtungsanlage, mit welcher nahezu beliebige kinematische Prozessführungen realisiert werden können, erreicht werden. Durch die Kombination mehererer Quellen mit einem komplexen Bewegungsprofil des Substrates können, im Zusammenspiel mit einer autonomen Steuersoftware ("Virtuelle Maschine") beliebige Schichtarchitekturen realisiert werden, die auf ein spezifisches Anwendungsprofil hin optimiert werden können.
Österreichisch-Slovenische S&T Co-Operation, ÖAD-Projekt SI 06/2016 (2016 - 2017)
"Biocompatible nanostructured tetragonal zirconium oxide thin films with alternative stabilization dopants"
Im Rahmen dieses Projektes wurde die Möglichkeit untersucht, tetragonales Zirkonoxid, welches üblicherweise mit Yttrium stabilisiert wird, mit alternativen Dotierstoffen wie Al oder Cu zu stabilisieren. Dazu wurde ein zweistufiger Ansatz gewählt: an der TU Wien wurden dotierte, metallische Zirkonschichten hergestellt, welche dann am Jozef Stefan Institut in Ljubljana in der Gruppe von Prof. Miran Mozetic einer kurzzeitigen Plasmaoxidation unterzogen wurden. Es konnte gezeigt werden,dass sich mit Hilfe dieses Verfahrens tetragonales Zirkonoxid bei Dotierung mit Cu darstellen lässt. Diese Ergebnisse sind in [1] dokumentiert, der Endbericht des Projektes kann hier eingesehen werden.
[1] Eisenmenger-Sittner C., Nöbauer C., Mozetic M., Kovac J., Zaplotnik R.
Stabilization of tetragonal ZrO2 by oxygen plasma treatment of sputtered ZrCu and ZrAl thin films
Surface & Coatings Technology 347 (2018) 270-277
TRANSLATIONAL Projekt TRP-281 (2013 - 2018)
"Beschichtung fragiler Granulate im grossen Masstab"
"SuperBowl"
Materialien in Form von Granulaten, Fasern oder Pulvern spielen eine große Rolle in vielen wissenschaftlichen und technologischen Disziplinen. Aufgrund ihrer geometrischen Dimensionen oder ihrer Zusammensetzung sind kleine Partikel oftmals fragil und müssen daher sehr vorsichtig behandelt werden.
Der Partikeloberfläche kommt eine hohe Bedeutung zu. Oft muss diese in Bezug auf Benetzbarkeit, Oberflächenenergie oder chemische Eigenschaften modifiziert werden, um gute Mischbarkeit mit Lösungsmitteln oder Trägersubstanzen zu garantieren. Im Bezug auf gebräuchliche Materialmengen ist es oftmals auch nötig, grosse Mengen an oberflächenmodifizierten Pulvern bereitzustellen.
Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ermöglicht die Darstellung nahezu aller Materialien in form von Einzelschichten oder Mehrlagensystemen. Leider steht die geradlinige Ausbreitung der Beschichtungsteilchen einer Beschichtung von Partikeln oftmals entgegen, wenn diese nicht gleichmäßig dem Dampfstrahl exponiert sind.
Das Ziel des gegenständlichen Projektes war die Konstruktion und Optimierung eines Behälters, in welchem fragile Granulate mittels PVD Methoden beschichtet werden. Ausgehend von einer patentierten Behätergeometrie [1] sollte es ermöglicht werden, metallische, oxidische und nitridische Filme mit Dicken zwischen 1 und 100 nm auf großen Mengen von hohlen Glas-Mikrokugeln mit Durchmessern von 5 - 70 µm und Wandstärken von 1 µm abzuscheiden. Der hochskalierte Behälter wurde auf die optimale Exposition der Teilchen zum Dampfstrahl hin optimiert, und das Bewegungsprofil wurde so gewählt, dass die fragilen Partikel durch die Mischbewegung nicht zu zerstört werden. Es konnte eine Vorrichteng realisiert werden, in welcher ein Liter Granulat in einem Beschichtungsvorgang befilmt werden kann [2]. Diese wurde auch für andere Partikelarten getestet, und es konnten durchwegs positive Ergebnisse im Hinblick auf Schichthomogenität und Gleichmässigkeit erzielt werden. Flankierend dazu wurden auch Methoden zur Schichtdickenbestimmung auf Granulaten basierend auf Gravimetrie und auf der Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Pulverproben entwickelt. Der Abschlussbericht zum Projekt befindet sich hier
[1] Schmid, G.H.S., Eisenmenger-Sittner C.
A method for uniformly coating powdery substrates by magnetron sputtering
Surface & Coatings Technology 236 (2013) 353-360
[2] Eder A., Schmid G.H.S., Mahr H., Eisenmenger-Sittner C.
Aspects of thin film deposition on granulates by physical vapor deposition
The European Physical Journal D 70 (2016) 247
Österreichisch-Argentinische S&T Co-Operation, ÖAD-Projekt AR 07/2013 (2013 - 2015)
"Hydrogen storage in coated hollow micro glass spheres: A combined experimental and theoretical approach"
Im Rahmen dieses Projektes wurden, im Konnex zu FWF-Projekt P-22718, CatSphere, die theoretischen Grundlagen der hydrolytischn Reaktion von Natriumborhydrid mit Wasser unter Anwesenheit einer katalytischen Oberfläche untersucht. Basis dazu waren Dichtefinktionalrechnungen mit Hilfe des VASP codes, die in Zusammenarbet mit der argentinischen Gruppe von Prof. Alfredo Juan von der Universidad Nacional del Sur, Bahia Blanca, Argentinien, durcheführt wurden. Der Endbericht des Projektes kann hier eingesehen werden.
FWF-Projekt Nr.: P-22718-N20 (2011 - 2015)
"Dünne Schichten auf hohlen Mikroglaskugeln"
"CatSphere"
Die Anwendungen für Materialien mit katalytischen Eigenschaften sind sehr vielfältig.
Die grundsätzliche Funktion eines Katalysators ist es, eine chemische Reaktion zu beschleunigen ohne
dabei selbst verbraucht zu werden. Dies führt zum Beispiel dazu, dass chemische Reaktionen bei weit
geringeren Temperaturen ablaufen als es durch die klassische Theorie vorhergesagt wird. Das grundlegende
Prinzip beruht auf aktiven Bereichen an der Oberfläche des Katalysators, die auf komplizierte Art
den Reaktionsverlauf durch modifizieren der Aktivierungsenergien beeinflussen. Bei praktischen Anwendungen werden oft Pulver und Granulate verwendet, um eine möglichst große Oberfläche zu erhalten. Dünne Schichten aus Trägermaterial und/oder Katalysator auf granularen Materialien erlauben die volle Ausnutzung des breiten Materialspektrums, das für verschiedene Beschichtungsmethoden
zugänglich ist.
Ziel dieses Projektes war es, eine Vielzahl von Materialklassen (katalytische Metalle oder Oxide, metallische
oder oxidische Trägermaterialien und Wärmeleitende Materialien) durch Dünnschichtdeposition zu erschliessen
und mit der Möglichkeit, diese Materialien auf pulver- und granulatförmige Substrate aufzubringen, zu verbinden.
Als Beschichtungsmethode wurde ein Magnetron-Sputter-System im reaktiven und im nicht reaktiven Modus verwendet.
Eine in früheren Projekten entwickelte Methode zur Beschichtung von Granulaten wurde soweit verfeinert, dass ein patentrechtlich geschütztes Verfahren zur Beschichtung fragiler Granulate realisiert werden konnte [1,2]. Insbesondere sollten hohle Mikroglaskugeln für die Wasserstoff- und Heliumspeicherung durch optimierte Katalysatorbeschichtungen funktionalisiert werden. Die Schichten wurden als Einfach-, Mehrfach- und Gradientenschichten ausgeführt. Titanoxid diente als Trägerschicht, Pt und Ru als katalytische Beschichtung. Die so modifizierten Glas-Mikrohohlkugeln dienen als Bestandteil für ein hybrides Wasserstoffspeicherungssystem, dessen theoretische Grundlagen in [3] ausführlich diskutiert werden. Durch die katalytischen Beschichtung konnte für die hydrolytische Reaktion von Natriumborhydrid mit Wasser sowohl die maximale thermische als auch die maximal erreichbare Wasserstoffausbeute realisiert werden. Der Abschlussbericht zum Projekt befindet sich hier
[1] Schmid G.H.S., Eisenmenger-Sittner C.
A method for uniformly coating powdery substrates by magnetron sputtering
Surface & Coatings Technology 236 (2013) 353-360
[2] Schmid G.H.S., Eisenmenger-Sittner C., Hell, J. Quirchmair M.
Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates
Austrian Patent AT 513 037 (2014)
Patent Holder: Vienna University of Technology
[3] Schmid, G.H.S., BauerJ., Eder A., Eisenmenger-Sittner C.
A hybrid hydrolytic hydrogen storage system based on catalyst-coated hollow glass microspheres
International Journal of Energy Research (2016) DOI: 10.1002/er.3659
TRANSLATIONAL Projekt TRP-6 (2010 - 2014)
"Optische Dickenbestimmung auf transparenten Granulaten"
"T-scan"
Schichten mit Dicken im Bereich von 0.5 - 100 nm sind wichtige Bestandteile von z. B. mikroelektronischen Bauteilen
oder magnetischen Speichermedien. Die Bestimmung von deren Dicke, welche in einem hohen Maße die physikalischen
Eigenschaften beeinflusst, ist zwar nicht trivial, aber es existieren wohlbekannte Methoden für diese Aufgabe.
Andererseits werden Zwischenschichten in vermehrten Maße auch zur Modifikation der Oberflächeneigenschaften von
Fasern, Granulaten und anderen irregulären Körpern eingesetzt. In diesem Falle ist die Bestimmung der Dicke der
Modifikationsschicht komplizierter und verlässliche Methoden sind rar.
Ziel des Projektes war es, auf transparenten Granulaten, wie z. B. Diamantpartikeln, welche als hoch thermisch leitfähige Einlagerungen in Wärmesenken dienen, optisch transparente metallische Beschichtungungen im Hinblick auf die Schichtdicke zu chrakterisieren. Es sollte eine schnelle und kosteneffektive Methode gefunden werden, die Schichtdicke auf
einer großen Zahl von Partikeln mit hoher örtlicher Auflösung zu bestimmen. Dies wurde durch Messung der optischen Absorption mittels
eines hochwertigen Scanners und mit Hilfe der Adaptierung eines Lichtmikroskopes erreicht. Methoden zur Kalibrierung der Absorptionswerte, welche auf der optischen Transmission durch Metallschichten mit wohldefinierten Dickenverläufen basieren, wurden implementiert. Weiters wurden Algorithmen entwickelt werden, welche nicht nur Informationen über die Schichtdicke auf einzelnen Partikeln liefern, sondern auch auf grösseren Ensembles. Somit können auch Schichtdickenhistogramme ermittelt werden, was Aussagen über die Schichtdickegleichmässigleit auf grossen Mengen Granularen Materials ermöglicht.
Mit Hlife der oben beschriebenen Verfahren konnten transparente Partikel wie das beschriebene Diamantgranulat oder hohle Glas-Mikrokugeln mit Durchmessern von 100 μm - 5 μm untersucht werden. Für Granulate mit Durchmessern über 10 μm kam ein Diascanner mit einer optischen Auflösung von 4000 dpi zum Einsatz, kleinere Partikel wurden in einem adaptierten Lichtmikroskop untersucht. Die im Rahmen des Projektes entwickelte Software Thin Film Inspector kann sowohl zur Bestimmung der Dicke metallischer Schichten auf transparenten Granulaten als auch zur Bestimmung von Schichtdickenverläfen auf ausgedehnten Substraten verwendet werden. Der Abschlussbericht zum Projekt befindet sich hier.
Sparkling Science Projekt "HotDrop" (2011-2012)
"Bildauswertung für ein Hochtemperatur - Oberflächenenergiemessgerät"
"HotDrop"
Im Rahmen dieses Projektes, welches gemeinsam mit der HTL Hollabrunn durchgeführt wird, soll eine Bildauswertung
für ein Hochtemperatur - Oberflächenenergiemessgerät entwickelt werden. Besondere Herausforderungen waren die oftmalige Kontrastumkehr während des Messvorganges sowie eine Vielzahl von dynamischen Phänomenen (Schmelzen, Wandern des Tropfens der metallischen Schmelze) während des Messvorganges. Um diese Vorgänge im Detail analysieren zu können wurde besonderes Augenmerk auf die Möglichkeit einer komfortablen, detaillierten off-line Untersuchung des gesamten Experimentes gelegt. Dem Experimentator bleiben grosse Freiheiten bei der Definition interessanter Messgrössen. Die Abschlussdokumentation zum Projekt befindet sich hier.
EU FP 7 Project FP7-NMP-2007-SMALL-1, Grant CP-FP 214407-2 (2009-2011)
"Entwicklung von Verschleissmindernden Schichten für funktionale Anwendungen basierend auf komplexen metallischen
Verbindungen"
"appliCMA"
Das Projekt zielte auf die Entwicklung neuartiger Beschichtungen, welche auf komplexen metallischen
Verbindungen (Complex Metallic Alloys, CMA) basieren. Diese Gruppe ternärer und quarternärer Legierungen
zeigt unerwartete Eigenschaften. Die CMAs "Al61.5Cu25.3Fe12.2 B1" and "Al59.5Cu25.3Fe12.2 B3" bestehen nur aus Metallen,
zeigen aber nichtmetallisches, keramisches Verhalten. Die Bulk-Varianten dieser Kristalle haben hervorragende Eigenschaften
in Bezug auf extrem geringe Oberflächenenergie (Benetzungsunterdrückung) und auf Ermüdungsverschleiss.
Die CMA AlMgB14 hat sich weiters als das härteste Material nach Diamant erwiesen.
Das Projekt fasste 9 Forschungseinrichtungen und 8 Industriebetriebe aus 8 Mitgliedsstaaten bzw.
assoziierten Mitgliedern der EU zusammen. Diese untersuchten die Herstellung massgeschneiderter Beschichtungen basierend auf
PVD Prozessen. Messungen der Mikro- und Nanotopographie, der elektronischen Struktur, von
Phasenübergängen und der Mikrostruktur wurden durchgeführt. Die erfolgreiche implementierung von PVD Prozessen
zur Herstellung von CMA Schichten [1] führte bis zur Fertigunfg industrierelevanter Demonstratoren. Einige weitere Informationen
zum Projekt finden sich hier.
[1] Vollnhofer W., Eisenmenger-Sittner C., Mozdzen G., Neubauer E.
Deposition of coatings containing quasicrystalline AlCuFeB and β phase by magnetron sputtering
Surface & Coatings Technology 211 (2012) 122-126
FWF-Projekt Nr.: P-19379-N16 (2007-2012)
"Der Einfluss der Grenzfläche im Kupfer-Diamant System"
Das Werkstoffsystem Kupfer-Diamant ist von technologischer Relevanz, da eine Kombination
aus diesen Materialien zu einem Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit bei einem
gleichzeitig reduzierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt. Allerdings ist in
diesem Werkstoffsystem die kritische Zone die Grenzfläche zwischen beiden Komponenten.
Der Grund dafür liegt in den unterschiedlichen thermischen Transportmechanismen. Während
im Kupfer vorwiegend die Elektronen zum Wärmetransport beitragen, liegt mit dem Diamant
ein Phononenleiter vor. Dieser Umstand führt dazu, dass die theoretisch vorhergesagten
thermischen Eigenschaften nicht durch eine einfache Mischung von Kupfer und Diamant
erreicht werden können.
Im Rahmen des Projektes wurde der Einfluss von verschiedenen Zwischenschichten
auf das thermische Verhalten von Kupfer-Kohlenstoff Verbundsystemen mittels eines photothermischen
Verfahrens evaluiert. Durch Verwenden verschiedener Schichten bzw. Variation der Schichtdicke konnte eine Verbesserung des
thermischen Übergangs zwischen Kupfer und Kohlenstoff bzw. Diamant erzielt werden [1,2].
Die gewonnen Erkenntnisse wurden im zweiten Teil des Projektes von planen Substraten auf die
Herstellung eines Kupfer-Diamant Verbundwerkstoffes übertragen. Dazu wird ein
Sputterverfahren zur Beschichtung von Diamantpartikeln mit den optimierten Zwischenschichten
eingesetzt [3]. Dieses Verfahren ermöglicht die Beschichtung von Partikeln unterschiedlicher Grösse.
Die beschichteten Diamantpulver wurden zu einem kompakten Körper gesintert und die thermischen
Eigenschaften des Verbundwerkstoffes gemessen.
Ein wesentliches Ergebnis des Projektes ist die Erkenntnis, dass der Wärmetransport über die
Grenzfläche bei planen Proben verbessert wedrden kann, während bei verpressten Kpompositen ein solcher
Effekt nicht in signifikantem Ausmass beobachtet werden kann.Der
Endbericht des Projektes kann hier als pdf-File (englisch) heruntergeladen werden.
[1] Schäfer D., Eisenmenger-Sittner C., Chirtoc M., Kijamnajsuk P., Kornfeind N., Hutter H., Neubauer E., Kitzmantel M.
Characterization of the mechanical and thermal interface of copper films on carbon substrates modified by boron based interlayers
Surface & Coatings Technology 205 (2011) 3729-3735
[2] Hell J., Chirtoc M., Eisenmenger-Sittner C., Hutter H., N. Kornfeind N., Kijamnajsuk P., Kitzmantel M.,
Neubauer E., Zellhofer K.
Characterisation of sputter deposited niobium and boron interlayer in the copper-diamond system
Surface & Coatings Technology 208 (2012) 24-31
[3] Hell J., Horkel M., Neubauer E., Eisenmenger-Sittner C.
Construction and characterization of a sputter deposition system for coating granular materials
Vacuum 84 (2010) 453-457
IWT-SBO-Projekt Nr.: 060030 (2007 - 2010)
"Wachstum komplexer Oxide"
Dieses Projekt wurde in Kooperation mit dem flämischen Forschungsförderungsfonds
und der Universität Gent durchgeführt. Die Grundlagen des Wachstums von Oxidschichten bei reaktiven
Sputterprozessen wurden untersucht.
An der TU Wien wurden im Rahmen der Dissertation von Maximilian Horkel [1,2] grundlegende
Eingangsgrössen des Sputterprozesses quantifiziert. Diese sind in erster Linie die
Einfallswinkelverteilung der auftreffenden Teilchen sowie
deren Energie am Substrat. Ausgehend von bestehenden Arbeiten [3] wurde ein kleiner, differentiell
gepumpter Partikelfluss-Monitor entworfen. In der endgültigen Version war die Messung der
Winkelverteilung sowohl für oxidische Schichten als auch für co-deponierte Materialien
möglich. Zur Messung der Schichtdickenverteilung von transparenten Oxidschichten
wurde ein Verfahren zur räumlich aufgelösten Messung der Schichtdicke basierend auf
optischen Methoden entwickelt.
[1] Horkel M.
Growth of Complex Oxides: Characterization of the Metal Flux during Magnetron Deposition with Special Emphasis
on the Angular Distribution
Dissertation, Technische Universität Wien, Jan. 2011
[2] Horkel M., Van Aeken K., Eisenmenger-Sittner C., Depla D., Mahieu S., Leroy W. P.
Experimental determination and simulation of the angular distribution of the metal flux during magnetron
sputter deposition
J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) 075302 (7pp)
[3]: Eisenmenger-Sittner C., Bergauer A. , Bangert H., Bauer W.
Measurement of the angular distribution of sputtered neutrals in a planar magnetron geometry
J. Vac. Sci. Technol. A12(2) (1994), 536 - 541
Europäisches FP6 Projekt "EXTREMAT" Nr.: FP6-NMP, NMP3-CT-2004-500253 (2004 - 2008)
"New Materials for Extreme Environments - Neue Materialien für extreme Umweltbedingungen"
Das Integrierte Projekt ExtreMat zielt auf die Entwicklung neuer multifunktioneller Materialien
ab, die nicht durch die konventionelle inkrementelle Materialforschung darstellbar sind. Der integrierte
Ansatz des Projektes ermöglicht eine dramatische Erweiterung der Grenzen in der Materialtechnologie und
wird neue, wissensbasierte Materialien der Industrialisierung zuführen.
Die Dünnschicht-Gruppe des Institutes für Festkörperphysik der TU Wien
beschäftigt sich innerhalb dieses Projektes mit der Verbindung
von Materialien und Komponenten, welche sich in verschiedenen Eigenschaften drastisch unterscheiden. Besonders
die Benetzbarkeit von Kohlenstoffoberflächen durch metallische Schmelzen (z. B. spezielle Lote) ist von
Interesse. Die Oberflächen können mittels Plasmatechnologie oder durch das Aufbringen von
benetzungsfördernden Schichten modifiziert werden. Im Rahmen einer Doktorarbeit wird zur Zeit ein
Messgerät zur Bestimnmung des Kontaktwinkels beliebiger Oberflächen mit metallischen Schmelzen
konstuiert. Durch eine Vakuumtransferkammer wird der Kontakt der Probe mit der Umgebung verhindert.
Dadurch könenn Oberflächenmodifikationen, welche bei Kontakt mit der Atmosphäre ihre
Wirkung verlieren (z. B. durch Luftfeuchtigkeit oder Oxidation) untersucht werden.
Im Rahmen des Projektes wurde an der TU Wien ein Hochtemperaturoberflächenenergiemessgerät
(High Temperature Sessile Drop Device, HTSDD) konstruiert. Mit Hilfe dieses Instrumentes konnte die
benetzungsfördernde Wirkung von reaktiv deponierten substöchiometrischen Titannitridschichten
gezeigt werden [1], [2]
[1]:B. Schwarz, P. Worbs, C. Eisenmenger-Sittner
Applications of a high temperature sessile drop device
Journal of Physics: Conference Series 100 (2008), 082044
[2]:B. Schwarz, C. Eisenmenger-Sittner, H. Steiner
Construction of a high temperature sessile drop device
Vacuum 82 (2008), 186-188
Österreichisch-Ungarische S&T Co-Operation (2004 - 2006)
"Diffusionsförderung und Unterbindung durch Additive während der Strukturentwicklung metallischer Mehrkomponentenschichten"
Die Oberfläche und innere Struktur heterogener Legierungsschichten beeinflusst essentielle Eigenschaften wie
thermische und elektrische Leitfähigkeit, mechanische Belastbarkeit sowie Reibung und Verschleiss.
Die Entwicklung der Endstruktur des Materiales während des Wachstums ist zwar hauptsächlich
durch die Beschichtungsparamteter determiniert, wird allerdings auch durch die Anwesenheit kleiner Mengen von
Additiven in der Wachstumsfront der Schicht beeinflusst.
Eine detaillierte Untersuchung des Einflusses von Additiven (Sauerstoff, Kohlenstoff, Titan) auf
Oberflächenmorphologie, Grössenverteilung unf Form der Kristallite sowie auf die Ausbildung durchgehender
Phasen der Schichtkonstituenten ist Ziel dieses Projektes. Dadurch soll ein weitergehendes Verständnis
von Wachstumseffekten, welche durch die Beeinflussung der Oberflächenenergie durch Verunreinigungen
entstehen, erarbeitet werden. Als Mess- und Charakterisierungsmethoden kommen Rasterkraftmikroskopie (AFM),
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Röntgenbeugung (XRD) zu Einsatz. Al-Sn dient als
Beispielsystem aufgrund seiner praktischen Anwendung [1], aber hauptsächlich aufgrund der extremen
Diffusivität von Sn an inneren und äusseren Oberflächen von Al, welche kürzlich
direkt beobachtet werden konnte [2]. Die Projektergebnisse wurden in
[3] und
[4] dokumentiert.
[1]: Bangert H., Eisenmenger-Sittner C., Bergauer A.
Deposition and structural properties of two-component metal coatings for
tribological applications
Surface and Coatings Technology 80 (1996), 162-170
[2]: Eisenmenger-Sittner C., Bangert H., Störi
H., Brenner J., Barna P. B.
Stranski-Krastanov growth of Sn on a polycrystalline Al film surface initiated
by the wetting of Al by Sn
Surf. Sci. 489 (2001), 161-168
[3]: Eisenmenger-Sittner C., Schwarz B., Tomastik C., Barna P.B. and Kovacs A.
Experimental studies of solid state surface wetting of Tin (Sn) on Aluminium (Al)
Applied Surface Science 252(15) (2006), 5466-5469
[4]: Schwarz B., Eisenmenger-Sittner C., Klein E., Tomastik C., Mayerhofer K., Barna P. B. and Kovacs A.
Passivation of Al surfaces against oxidation by monoatomic Sn wetting layers
Surface and Coatings Technology 200(22-23) (2006), 6484-6489
FWF-Projekt Nr.: P-14534-PHY (Feb.2000-Feb.2003)
"Die physikalisch-chemische Wechselwirkung zwischen Cu-Beschichtungen und vorbehandelten C-Oberflächen"
Die Verbesserung der Interfaceeigenschaften in Metall Matrix Verbundwerkstoffen (MMCs) ist von hochrangigem wissenschaftlichem und technologischem Interesse. Ziel des Projektes ist eine Verbesserung der Haftung von Kupferschichten auf Kohlefasern, die für die MMC Herstellung als Ausgangsstoff verwendet werden. Erreicht werden soll diese Verbesserung durch Verwenden von PVD Methoden und einer Plasmabehandlung des Substrates. Die Oberflächenvorbehandlung kann ebenso noch durch das Aufbringen einer haftvermittelnden Zwischenschicht unterstützt werden. Der Einfluß von unterschiedlichen Vorbehandlungen auf die Haftung soll durch die unterschiedliche Wechselwirkung einer kupferbeschichteten Spitze mit einem vorbehandelten Substrat mittels Rasterkraftmikroskopie bestimmt werden. Durch Kraft-Abstands-Kurven, die in einer HV Umgebung aufgenommen werden, kommt es zu keinem Kontakt zwischen behandeltem Substrat und der Umgebung. Die Grenzfläche zwischen Beschichtung und dem Kohlenstoff-Substrat wird im TEM (Transmission Electron Microscope) im Hinblick auf Struktur, Morphologie und allfällige Diffusionszonen untersucht. Der chemische Zustand der Oberfläche nach der Plasmabehandlung wird durch XPS (X-Ray Phototelectron Spectroscopy). SIMS (Secondary Ion Mass Spectrocopy) und AES (Auger Electron Spectroscopy) untersucht. Zerstörungsfreie wie auch nicht zerstörungsfreie Testmethoden werden eingesetzt um die Haftung und den thermischen Übergangswiderstand zwischen Kupfer und dem Graphit/Kohle-Substrat zu bestimmen. Zur Bestimmung der Haftung von Kupferschichten auf den Kohlefasern werden Einzelfasertests ("push out" und "pull out test") eingesetzt. Der Endbericht des Projektes kann hier als pdf-File (englisch) heruntergeladen werden.
FWF-Projekt Nr.: P-15739-PHY (Okt.2002-Okt.2004)
"Phasenbildung und Entmischung in polykristallinen Schichten"
Das Projekt behandelt die Herstellung von metallischen Zweikomponentenschichten aus thermodynamisch unmischbaren Partnern (Aluminium und Zinn) bei extrem hohen Raten. Materialien dieser Klasse finden als Laufschichten in hocbelasteten Gleitlagern ihre Anwendung. Aufgrund der gewählten Herstellungsbedingungen wird das Material weit etfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht abgeschieden. Die physikalischen Eigenschaften und die Frage der Langzeitstabilität sind daher von wissenschaftlicher und praktischer Relevanz. Ziel der Untersuchungen ist die detaillierte Charakterisierung der Verteilung der Einzelkomponenten in der Schicht unmittelbar nach der Deposition und deren zeitliche Veränderung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Nachbehandlungen. Als Untersuchungsmethoden weden Rasterkraftmikroskopie, ortsaufgelöste Auger-Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt. Die Kombination dieser Verfahren erlaubt die Beobachtung und quantitative Erfassung von Entmischungsvorgängen sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen der Schicht. Mit diesem Wissen soll es möglich werden, allgemeine Gesetzmässigkeiten über die Phasenverteilung und Schichtstruktur in unmischbaren Zweikomponentenschichten abzuleiten. Der Endbericht des Projektes kann hier als pdf-File (englisch) heruntergeladen werden.
Österreichisch-Ungarische S&T Co-Operation 2001-2002
"Verunreinigungsbeeinflusste Rauhigkeits- und Strukturevoluition in heterogenen metallischen Legierungsschichten"
Die gezielte Beeinflussung der Struktur heterogener metallischer Legierungsschichten
ist ein wesentlicher Ansatz, um spezifische industrielle und wirtschaftliche
Anforderungen zu erfüllen. Bweispiele dafür sind tribologische
Aluminium-Zinn oder Kupfer-Blei Schichten, welche durch Kathodenuerstäubung
hergestellt werden. Diese Materialien haben ihre Überlegenheit gegenüber konventionellen,
elektrochemisch abgeschiedenen Schichten gezeigt und führten zur Konstruktion von
kompakten leichtgewichtigen Motoren mit einer hohen Effizienz und Langlebigkeit. Die Schichtstruktur
ist durch feindisperse Einschlüsse (Zinn oder Blei) in einer Matrix (Aluminium
oder Kupfer) gekennzeichnet: Die Matrix garantiert mechanische Belastbarkeit, während die
weiche, niedrigschmelzende Komponente als Festschmierstoff dient und so die exzellenten Laufeigenschften
sicherstellt.
Strukturen dieser Art weisen eine hohe Dichte an Korngrenzen auf, welche generell Diffusion fördern.
In Korrosions- und Alterungsexperimenten wurde gefunden, dass die Verteilung der weichen Phase einen
kritischen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften sowie auf die Stabilität der Schicht hat.
Der zentrale Punkt der Zusammenarbeit war das Studium des Einflusses einer Minoritätskomponente
(z. B. Zinn oder Blei, aber auch Veunreinigungen wie Sauerstoff oder Titan) auf die
Strukturbildung und Rauhigkeitsentwicklung der Matrix. Besonderes Augenmerk wurde auf die
Texturentwicklung durch kompetitives Kornwachstum gelegt. Diese Prozesse wurden durch
Rasterkraftmikroskopie (AFM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM)
untersucht. Modellrechnungen basierend af Kornwachstumssimulationen wurden durcheführt.
FWF-Project Nr.: P-122 81-PHY (Okt.1997-Jun.2000)
"Mesoskopische Schichtstrukturen"
Das Ziel dieses Projektes war die Untersuchung dynamischer Prozesse (Oberflächendiffusion - Bildung des kritischen Keimes - Inselwachstum) bei der Kondensation heterogener metallischer Zweikomponentenschichten. Besonderes Augenmerk wurde auf die gegenseitige Beeinflussung von Rauhigkeitsentwicklung und Kondensationsverhalten hochmobiler Materialien auf der rauhen Wachstumsfront eines Zweikomponentensystemes gelegt. Im Rahmen des Projektes wurde ein TOPOMETRIX EXPLORER Rasterkraftmikroskop in eine Hochvakuumkammer integriert, um eine Beobachtung der Wachstumsfront ohne Exposition an die Umgebungsatmosphäre zu ermöglichen.
Österreichisch-Ungarische S&T Co-Operation 1997-1998:
"Kondensation vom Aluminium und Aluminium-Zinn Schichten und deren Reaktion mit Sauerstoff und Wasserdampf"
Sputterdeponierte Schichten aus heterogenen Legierungen zeigen extrem geringen Verschleiss und hohe Belastbarkeit bei einem Einsatz als tribologische Schicht in Hochleistungsgleitlagern. Sie sind charakterisiert durch eine Struktur aus einer belastbaren Matrix (Aluminium) mit duktilen Einschlüssen (Zinn). Die Matrix liefert die mechanische Belastbarkeit während die weiche und niedrigschmelzende Komponente die exzellenten Laufeigenschaften garantiert. Strukturen dieser Art weisen eine hohe Dichte an Korngrenzen auf, welche generell Diffusion fördern und daher die Langzeitsatbilität und die Widerstandsfähigkeit gegen korrosive Medien beeinflussen können. Zentraler Punkt des gegenständlichen Projektes war die Untersuchung von Diffusionsprozessen in heterogenen Aluminium-Zinn Schichten mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit besonderem Augenmerk auf Oxidation und Hydratisierung. Die Schichten wurden mittels thermischem Verdampfen sowie mittels Kathodenzerstäubung hergestellt, um den Einfluss verschiedener Energien der Beschichtungsteilchen (unter 0.1 eV beim Verdampfen, ca. 5 - 10 eV bei der Kathodenzerstäubung) zu berücksichtigen. Untersucht wurden weiters sowohl einkristalline als auch polykristalline Schichten.