Evaluation of the densification mechanism during realisation of dense ceramic layers at room temperature via the Aerosol Deposition Method

Keramische Schichten werden häufig zur Verbesserung verschiedener Funktionen von Werkstücken (Verschleißschutz, Tribologieverbesserung, etc.) eingesetzt, sind aber auch Bestandteil komplexer Bauteile der Mehrlagentechnik z.B. in der Mikroelektronik. Größter Nachteil bei der Herstellung keramischer Schichten ist, dass sie zum Verdichten bei hohen Temperaturen gesintert werden müssen. Dadurch wird die Kombination mit anderen Materialklassen (Metalle, Polymere) deutlich erschwert. Eine Methode, dichte keramische Schichten bei Raumtemperatur herzustellen, ist die Aerosol-Deposition, die in den 1990er Jahren von Jun Akedo entwickelt wurde. Bei der Aerosol-Deposition wird aus einer Pulverschüttung mittels eines durchströmenden Gases ein Aerosol erzeugt, das auf ein Substrat beschleunigt wird und beim Auftreffen der Partikel eine dichte Schicht ausbildet. Solche Schichten sind bereits aus verschiedenen keramischen Materialien hergestellt worden, der Verdichtungsmechanismus ist bisher jedoch nur ungenügend geklärt. Daher soll in dem vorliegenden Projekt der Schichtaufbau beim Aerosol-Deposition-Verfahren und damit die beteiligten Verdichtungsmechanismen genauer untersucht und aufgeklärt werden, um schließlich neue Beschichtungsqualitäten und Verbundstrukturen bei niedrigen Herstelltemperaturen zu erreichen. Dazu sollen nach dem Aufbau des Aerosol-Deposition-Verfahrens zunächst dichte keramische Schichten bei Raumtemperatur hergestellt werden, wobei ein besonderer Fokus auf das Aerosol und dessen Eigenschaften gelegt wird. Nach Ermittlung der für eine Aerosolerzeugung und eine erfolgreiche Abscheidung notwendigen Parameter soll der Verdichtungsmechanismus untersucht werden. Dazu wurde eine Arbeitshypothese des Verdichtungsmechanismus aufgestellt: In Anlehnung an die Mechanismen anderer sinterfreier Verfahren wie Kaltgas-Spritzen und Schockkompaktieren wird vermutet, dass der Verdichtungsprozess bei der Aerosol-Deposition auf einer Kombination aus Zerbrechen und Neuanordnung der Partikel beim Auftreffen auf das Substrat - verstärkt durch die nachfolgend auftreffenden Partikel -, einer lokalen Umwandlung eines Teils der kinetischen Energie in thermische Energie an der Partikeloberfläche (Aufschmelzen der äußersten Partikelhülle) sowie einer plastischen Verformung der keramischen Partikel beruht. Um diese Hypothese zu belegen, sollen systematische Untersuchungen zum Einfluss der verschiedenen Prozessparameter, die Charakterisierung speziell der Grenzflächen und die Analyse des entstehenden Gefüges in den unterschiedlichen Aufbauphasen der Schicht erfolgen. Die Klärung des Verdichtungsmechanismus ist wichtig, um die Eigenschaften der Schicht während der Herstellung beeinflussen und bestenfalls steuern zu können. Dies würde die Basis für die Anwendung der Aerosol-Deposition für funktionelle Mehrlagenaufbauten legen, was das Aerosol-Deposition-Verfahren zu einer vielversprechenden Zukunftstechnologie machen würde.