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IWT

Stiftung Institut für Werkstofftechnik

Sol-Gel-Verfahren

Technische Anwendungen für Sol-Gel-Beschichtungen

Korrosionsschutz gegen den Angriff von Zinn-Blei-Metallschmelzen (Lötstraße)

Eine interessante Anwendung für Sol-Gel-Beschichtungen wurde am Beispiel industrieller Lötstraßen gefunden. Hier werden Leiterplatten im industriellen Maßstab verlötet. Das schmelzflüssige 400°C bis 450°C heiße Lot (Zinn-Blei-Schmelze) wird durch spezielle Pumpen durch die Lötstraße befördert. Gehäuse und Flügelräder dieser Pumpen sind aus rostfreiem Stahl (X4CrNi18-10) gefertigt. Insbesondere die Flügelräder sind durch den Kontakt mit der Metallschmelze starker Korrosion ausgesetzt. Bereits nach sechs Wochen zeigen unbeschichtete Flügelräder starke Korrosionserscheinungen, was zu einer deutlichen Abnahme der Pumpleistung führt. Für die notwendige Wartung der Lötpumpen musste die komplette Lötstraßen jeweils nach ca. 6 Wochen stillgelegt werden, was mit erheblichen Kosten verbunden ist. Durch Sol-Gel-Beschichtung der Flügelräder konnte der Korrosionsangriff signifikant reduziert werden. Sol-Gel-beschichtete Flügelräder zeigen auch nach 12 Wochen im Einsatz noch keine Korrosion. Die genauere Untersuchung ergab, dass durch die dünne oxidkeramische Sol-Gel-Schicht die Benetzung zwischen der Stahloberfläche und dem Lot stark reduziert ist und so ein direkter Kontakt zwischen der Metallschmelze und der Stahloberfläche verhindert wird.

Sol-Gel-Beschichtung von Beryllium-Röntgenfenstern

Die industrielle Prüfung kunststoffummantelter Bauteile und Drähte erfolgt durch Röntgenstrahlen. Mit sogenannten Röntgenscannern können Drahtdicke und Beschichtungsdicke zerstörungsfrei bestimmt werden. In den Röntgenröhren dieser Anlangen befinden sich Berylliumfenster, da Beryllium eine sehr gute Durchlässigkeit für Röntgenstrahlung besitzt.

Bei der Röntgenprüfung PVC-ummantelter Drähte wird aufgrund der Röntgenstrahlung Chlor aus der Kunststoffummantelung der beschichteten Drähte freigesetzt, was das Beryllium stark angreift. Unbeschichtete Berylliumfenster müssen deshalb bereits nach wenigen Monaten ausgetauscht werden. Durch die Entwicklung einer geeigneten Sol-Gel-Beschichtung konnte der Korrosionsangriff auf das Beryllium sehr effektiv reduziert werden. Heute werden alle Berylliumfenster dieses Herstellers im IWT Sol-Gel-beschichtet.

Erhöhung der Lebensdauer von Quecksilber-Dampflampen

UVC-Strahlung hat bei 254 nm eine intensive bakterizide Wirkung. Mikroorganismen wie Viren, Bakterien, Hefen und Pilze werden durch UV-Strahlung wirksam abgetötet. Eine Zugabe von keimtötenden Chemikalien ist nicht erforderlich. Die Transmission der Quarzrohre herkömmlicher UVC-Lampen und damit auch deren UVC-Leistung gehen mit längerer Betriebsdauer deutlich zurück. Die hierfür verantwortliche Verfärbung der Lampenrohre wird durch eine chemische Reaktion der Quarzoberfläche mit dem Quecksilber der Gasentladung ausgelöst. Diese Verfärbung führt zu einer Reduktion der für eine gute Entkeimungswirkung der kurzwelligen Ultraviolett-Strahlung bei 254 nm.

Zusammen mit einem namhaften Hersteller von Quecksilber- und Amalgamdampflampen wurde eine spezielle Sol-Gel-Beschichtung entwickelt, die den Angriff von Quecksilber auf die Quarzglasoberfläche erfolgreich verhindert. Die Lebensdauer der Lampen konnte auf diese Weise erheblich erhöht werden. Diese UV-Lampen werden hauptsächlich für die Entkeimung von Trinkwasser eingesetzt.

Diffusionssperrschichten für das Niederdruckaufkohlen

Das Niederdruckgasaufkohlen wird für die Randschichthärtung unterschiedlichster Bauteile wie Ventile, Lager, Zahnräder und Wellen eingesetzt. Hierbei ist es häufig erforderlich, dass bestimmte Teile eines Bauteils nicht aufgekohlt und damit auch nicht gehärtet werden, beispielsweise um die Schweißbarkeit lokal zu erhalten. Bisher werden für diesen Zweck spezielle Pasten eingesetzt, die vor dem Aufkohlen lokal auf das Bauteil aufgebracht werden. Diese Pasten haben jedoch einige Nachteile. Insbesondere können sie zu einer Kontamination der Aufkohlöfen und Abschreckmedien führen.

Deshalb wurden spezielle Sol-Gel-Diffusionssperrschichten für das Niederdruckgasaufkohlen entwickelt. Diese Beschichtungen werden vor dem Aufkohlprozess partiell auf Bauteile aufgebracht. Diese nur wenige μm dicken Sol-Gel-Beschichtungen können sowohl auf fein als auch auf grob geschliffenen Oberflächen eingesetzt werden und überstehen den Aufkohlungsprozess bei 960°C ohne wesentliche Schichtschädigungen. Im Gegensatz zu den bisher eingesetzten Diffusionssperrpasten ist eine Kontamination des Aufkohlofens mit diffusionsbehindernden Rückständen ausgeschlossen. Außerdem ist nach dem Aufkohlen keine aufwändige Reinigung bzw. Entschichtung der beschichteten Bauteil erforderlich, da die Beschichtungen nur wenige μm dick sind.

Das Bild oben zeigt einen metallografischen Schliff einer Sol-Gel-beschichteten Stahlprobe nach dem Aufkohlen und Härten. Die hellen Bereiche entsprechen gehärtetem martensitischen Gefüge, während die dunklen Bereiche nicht aufgekohlten ferritischen Bereichen entsprechen. Die Oberseite der Probe ist fein geschliffen, die Unterseite ist grob geschliffen. Auf beiden Seiten ist die Diffusionssperrwirkung für den Kohlenstoff eindrucksvoll zu sehen. Auch der GDOES-Kohlenstofftiefenverlauf zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereich bestätigt die Barrierenwirkung durch die aufgebrachte Sol-Gel-Schicht.

Hochtemperaturbeständige Drahtisolation

Die el. Isolation dünner Kupferdrähte für el. Spulen erfolgt heute durch organische Polymer-Lackbeschichtungen. Für den Einsatz bei erhöhter Temperatur bis 250 °C werden Polyimid- und Polyamidlackbeschichtungen eingesetzt. Für höhere Temperaturen kommen keramische Fasern zum Einsatz, mit denen der Leiter umsponnen wird. Zwar kann damit eine Temperaturbeständigkeit bis 1200 °C erreicht werden, doch die geringe mechanische Beanspruchbarkeit, mangelnder Schutz des Leiters vor korrosiven Angriffen, große Durchmesserzunahme durch die Isolierung, schlechte Verarbeitbarkeit sowie hoher Kostenaufwand bei der Herstellung sind erhebliche Nachteile, die mit organisch-anorganischen Sol-Gel-Beschichtungen überwunden werden sollen. Durch Hyrid-Werkstoffe könnten die Lücke zwischen den keramischen und den organischen Polymerwerkstoffen geschlossen werden. Über die el. Eigenschaften dieser Werkstoffe ist derzeit nur wenig bekannt, außer, dass sie, wie die meisten Oxidkeramiken und Polymerwerkstoffe, einen sehr hohen spez. el. Widerstand aufweisen. Diese Hybridwerkstoffe, auf der Basis organisch modifizierter Silane (Ormosile) zeigen Temperaturbeständigkeiten bis 400 °C und haben im Gegensatz zu Oxidkeramiken eine höhere Duktilität, so dass sie besonders für die Beschichtung dünner Drähte geeignet sind.

Die Beschichtung der Drähte erfolgte mit der oben dargestellten vollautomatischen Drahtbeschichtungsapparatur.

Das Bild oben zeigt rasterelektronenmikroskopische Bilder eines Ni80Cr20-Drahtes mit einem Durchmesser von 125μm nach der Sol-Gel-Al₂O₃-Beschichtung. Links ist eine völlig intakte Al₂O₃-Beschichtung auf dem Draht zu sehen. Das rechte Bild zeigt den selben Draht nach einer Dehnung von ca. 50 %. Das Abplatzen der keramischen Al₂O₃-Schicht ist deutlich zu erkennen. Bei geringen Dehnungen im Bereich von 2 % sind keine Veränderungen in der Beschichtung beobachtbar, d.h. die Beschichtung mit keramischen Sol-Gel-Schichten ist prinzipiell für eine temperaturbeständige elektrische Isolation dünner Drähte geeignet. Dies zeigen auch die durchgeführten Kurzschlusstests, bei denen zwei Drähte über Kreuz aufeinander gepresst wurden und die Spannung bis zum Durchschlag erhöht wurde. Allerdings machen die spröden Eigenschaften der keramischen Schicht einen zuverlässigen Dauereinsatz problematisch. Außerdem sind oxidkeramische Schichten hydrophil, so dass ein dauerhafter Korrosionsschutz für die beschichteten Drähte nicht gewährleistet ist, da Wasser in feinste Risse und Poren eindringen kann. Aufgrund dieser Defizite keramischer Schichten sollen hydrophobe Hybridwerkstoffe ausreichender Duktilität entwickelt werden, die bei Temperaturen von mindestens 300°C dauerhaft einsetzbar sind.

Gassensitive Sol-Gel-Schichten

Gassensoren werden insbesondere für die Prozessregelung eingesetzt. Im Kfz-Bereich misst beispielsweise die Lamda-Sonde die Abgaszusammensetzung, um eine optimale Regelung des Verbrennungsprozess im Motor zu ermöglichen. Gassensoren werden aber auch für die Prozessregelung im Bereich thermochemischer Randschichtbehandlungen eingesetzt. Beispielsweise, dem Nitrieren, dem Nitrocarburieren und dem Gasaufkohlen.

Am IWT wurde ein Gassensor auf der Basis von Sol-Gel-TiO₂-Beschichtungen entwickelt. Titanoxid ändert seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur und des Sauerstoffpartialdruckes. Diese Eigenschaft kann dazu benutzt werden den Sauerstoffgehalt in einer Gasatmosphäre zu bestimmen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass sich der Sensor auf einer definierten Temperatur befindet. Der Aufbau des entwickelten Sensors zeigt das Bild oben. Auf einem Aluminiumoxidträger befinden sich Platinelektroden in Form einer Kammstruktur (Interdigitalelektrodenstruktur). Gleichzeitig befindet sich auf dem Träger noch eine elektrische Heizung, damit der Sensor auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Auf die Elektrodenstruktur wird eine Sol-Gel-TiO₂-Beschichtung abgeschieden. Über die Platinelektroden kann der Leitwert bzw. der elektrische Widerstand gemessen werden. Rechts ist die Antwort bzw. der Leitwert eines solchen Sol-Gel-TiO₂-Sensors in einem Ammoniak-Luft-Gemisch bei unterschiedlichen Durchflussraten von Luft dargestellt. Man sieht, dass der Leitwert mit zunehmendem Sauerstoffgehalt abnimmt. Darunter ist das Signal einer kommerziellen ZrO₂-Sauerstoffsonde dargestellt.

Das Bild zeigt den Einbau eines solchen Sensors in einen Nitrierofen.

Weiterhin wurde ein lithografisches Verfahren zur Strukturierung von Sol-Gel-TiO₂-Beschichtungen auf Silizium-Wafern entwickelt um eine großtechnische Herstellung von TiO2-Gassensoren zu ermöglichen. Das Ergebnis einer solchen strukturierten Schicht auf einem Silizium-Wafer mit vergrabenen Interdigitalelektroden zeigt das Bild oben.

Photochemisch aktive Sol-Gel-Beschichtungen

Im Lebensmittel- und Medizinbereich sowie für die Reinigung von Abwasser werden photochemisch aktive TiO₂-Beschichtungen zur physikalischen Entkeimung von Oberflächen eingesetzt. Im Rahmen einer Studienarbeit wurde ein sogenannter Rieselreaktor zur Abwasserreinigung aufgebaut.

Der Rieselreaktor besteht aus einem innen beschichteten Stahlrohr über dessen Innenseite ein Modellabwasser rieselt. Die Wasserzufuhr erfolgt dabei über ein Überlaufbecken. Im Zentrum des beschichteten Stahlrohres befindet sich eine Quecksilberdampflampe, durch die der Rieselfilm UV-bestrahlt wird. Als Modelabwasser wurde eine wässrige Lösung des organischen Farbstoffs Chicago Blau verwendet. Durch die UV-Strahlung wird dieser Farbstoff zerstört, so dass sich das Absorptionsverhalten der Lösung mit zunehmender Bestrahlungsdauer reduziert. Die Messung der Absorption des Modellabwassers erfolgte mit einem Zweistrahl-Photometer, wobei jeweils die Absorptionsdifferenz zwischen unbestrahltem Modellabwasser zu bestrahltem Modellabwasser gemessen wurde. Es konnte gezeigt werden, dass der Abbau der Farbstoffes bei einem Sol-Gel-TiO₂-beschichteten Stahlzylinder deutlich schneller erfolgt als bei einem inerten unbeschichteten Plexiglaszylinder.

Die Ursache für den erhöhten Abbau des Farbstoffes ist die photochemische aktivierte katalytische Wirkung von TiO₂. Durch Einstrahlung von ultraviolettem Licht entstehen Elektron-Lochpaare im TiO₂ mit einer Energiedifferenz von 2,8 eV. Die Löcher entsprechen fehlenden Elektronen im Kristallgitter. Sie haben ein sehr großes Oxidationspotential und sind in der Lage auch chemisch stabile Moleküle bzw. Ionen zu oxidieren, so dass aus OH^- - Ionen im Elektrolyten hochreaktive OH* -Radikale entstehen. Diese reaktiven Radikale sind wiederum in der Lage andere chemische Substanzen zu oxidieren, indem sie Elektronen aufnehmen. Insbesondere können sie organische Verbindungen zerstören.

Auch die keimtötendene Wirkung von Sol-Gel-TiO₂-Beschichtungen basiert auf diesem Effekt. Auf eine halb Sol-Gel-TiO₂-beschichteten Glasprobe wurde eine gleichmäßige Keimdichte aufgebracht und anschließend 5 Minuten mit UV-Licht einer Quecksilberdampflampe bestrahlt. Von dieser Glasproben wurde dann ein Abdruck auf einem Nährboden gemacht und in einem Brutschrank angezüchtet. Die Versuche bestätigen die photobiozide Wirkung deutlich.

Sie haben Interesse an oxidkeramischen sowie organisch-anorganischen Sol-Gel-Hybrid-Schichten?
Sie haben ein technisches Problem im Bereich Korrosions-/Verschleißschutz oder für den Dekobereich?
Schicken Sie einfach eine e-Mail an mehner@iwt-bremen.de oder rufen Sie an unter Tel.: 0421-2185377.