Projekt zu Nano-Schichtsystemen gegen Verschleiß

Neue Dortmund-Duisburger Kooperation

Für ihr gemeinsam bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) beantragtes Projekt zur Dünnschichttechnologie erhalten die Arbeitsgruppen von Prof. Einar Kruis (Universität Duisburg-Essen, UDE) und Prof. Wolfgang Tillmann (Technische Universität Dortmund, TUDo) insgesamt rund 755.000 Euro für drei Jahre.

Nanokomposite sowie deren Eigenschaften stehen seit Jahren im Fokus vieler Forschungsvorhaben in der Dünnschichttechnologie. Bislang werden Schichtstruktur und Phasenkomposition jedoch durch thermodynamische Gleichgewichtsbedingungen während des Wachstums begrenzt. Die Varianten der möglichen Schichtwerkstoffe sind somit eingeschränkt: Die herausragenden tribo-mechanischen Eigenschaften des Nanoverbundes können so vielfach nicht genutzt werden.

Kruis und Tillmann planen daher, im Projekt "Grundlagenuntersuchungen zur Synthese neuartiger Nanokompositschichtsysteme mittels externer Nanopartikeleindüsung" erstmalig eine nahezu werkstoffunabhängige Abscheidung zu ermöglichen. Dazu wollen sie die Schichtbildung der zweiten Phase räumlich von der Synthese der ersten Phase trennen: Eine Vorrichtung zur Nanopartikelinjektion mit aerodynamischem Linsensystem wird hierfür mit einer PVD-Sputteranlage kombiniert. Dabei wird die Matrixkomponente aus Chromnitrid mittels konventioneller Magnetron-Sputtertechnologie synthetisiert und zeitgleich ein Nanopartikelstrom aus 20 nm großen Titan/Titannitrid-Partikeln eingeleitet. Ein modulares Linsenarray ermöglicht dabei die flächige Abscheidung sogar bei den unterschiedlichen Arbeitsdrücken von Synthese und Schichtbildung.

Ziel ist es, die Nanopartikelbeladung der Schichten geplant einzustellen und so die Klasse der mischbaren Nanokomposite grundlegend zu verstehen. Neben der strukturellen Ebene werden dabei auch die resultierenden tribo-mechanischen Schichteigenschaften im Detail untersucht. Insbesondere die Mechanismen zur Ausbildung der Schichtstruktur und die möglichen Vorgänge an den Phasengrenzen zwischen Nanopartikel und Matrixwerkstoff tragen so zum Verständnis der noch unerforschten Werkstoffklasse bei.

Der Förderanteil für die UDE beträgt rund 350.000 Euro, die TUDo erhält 405.000 Euro. Das Analytikzentrum „Interdisciplinary Center for Analytics on the Nanoscale“ (ICAN) im NETZ wird einen wichtigen Beitrag zu diesem Projekt leisten.

Bildbeschreibung: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Schutzschicht gegen Verschleiß: Bereits während der Produktion der Keramikschicht (grün) wurden Titan-Carbonitrid-Partikel (rot) in das Material eingebettet. Die Röntgenanalyse (farbiger Bereich) zeigt die gewünschte Struktur aus Grundmaterial mit den eingebetteten Partikeln. (© UA Ruhr, Dennis Kiesler)

Weitere Informationen: Prof. Dr.-Ing. Frank Einar Kruis, 0203 379-2899, einar.kruis@uni-due.de