Ultraharte Schichten

Forschungsbereich Ultraharte Schichten

Seit 1994 erforscht die Gruppe "Ultraharte Schichten" die PVD- und CVD-Beschichtung von Substratoberflächen mit dem Schwerpunkt kristalline CVD-Diamantschichten. 2002 führten die erfolgreichen Forschungsarbeiten im Bereich der CVD Diamantbeschichtung zur Ausgründung der Fa. DiaCCon in Fürth (http://www.diaccon.de).

Mitarbeiterfoto Stefan Rosiwal

Stefan Rosiwal, Dr.-Ing.

Mitarbeiterfoto Rudolf Borchardt

Rudolf Borchardt, M.Sc.

Mitarbeiterfoto Timo Fromm

Timo Fromm, M.Sc.

Mitarbeiterfoto Hanadi Ghanem

Hanadi Ghanem, Dr.-Ing.

Mitarbeiterfoto Thomas Helmreich

Thomas Helmreich, M.Sc.

Bücher

Beiträge in Fachzeitschriften

Beiträge in Sammelbänden

Beiträge bei Tagungen

Abschlussarbeiten

Ziel der geplanten Arbeiten sind die Erforschung, Entwicklung und Anwendung von neuen verschleißfesten Elektrodendiamantdünnschichten für die Mikrosenkerosion. Der Vorteil solcher Diamantbeschichtungen liegt in der effizienten Mikrostrukturierung von großflächigen Elektroden mit spanenden Fertigungsverfahren wie z. B. Mikrofräsen und dem anschließenden Beschichten mit einer verschleißfesten Beschichtung, welche einen effizienten Materialabtrag während des Einsatzes ermöglicht. Durch den Einsatz von Diamantdünnschichten als Elektrodenbeschichtung sind die erreichbaren und abbildbaren Strukturgenauigkeiten im Vergleich zu Diamantdickschichtelektroden erheblich höher, da die Ungenauigkeiten der Beschichtung geringer sind. Die Strukturierung des Substratwerkstoffes stellt deswegen die limitierende Größe zur Geometrie- und Abbildegenauigkeit des Diamantdünnschichtelektrodensystems dar. Die auf den z. B. mittels Mikrofräsen bearbeiteten Substratwerkstoffen aufgebrachte Schicht besitzt eine geringe Schichtdicke und daher einen geringen Einfluss auf die erreichbare Formgenauigkeit. Mit diesem neu entwickelten Beschichtungswerkstoffe mit Diamantdünnschicht werden relevante Materialien bearbeitet und die erzielten Ergebnisse hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit bewertet. Dabei sollen materialwissenschaftliche, technologische und maschinenspezifische Fragestellungen bearbeitet und geklärt werden. Abschließend sollen die validierten Elektrodendiamantbeschichtungen in eine abgestimmte Prozesstechnologie für die Mikrosenkerosion überführt werden und als Technologietabellen zur Verfügung stehen. Die Nutzung einer Elektrode für die Finishbearbeitung wird angestrebt, muss aber im Rahmen der Forschung untersucht werden.

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Das Aufgabengebiet „Innovative solarthermische Energiegewinnung“ hat sich zum Ziel gesetzt, die Kombination von Nickelbasisstrahlungsabsorbern mit thermoelektrischen Materialien zur Stromerzeugung zu untersuchen. Dabei werden in additiven Fertigungsverfahren neuartige offenzellulare Receiverstrukturen aus hochtem­peratur­beständigen Superlegierungen (Nickel- und Cobaltbasis) entwickelt und getestet. Weiterhin werden p- und n-leitende Diamantstrukturen für den Bau eines effizienten Thermoelektrischen Generators erforscht und getestet. Dabei kommen vorwiegend kohlenstoffbasierte Schichten, wie z. B. Diamant,  zur Anwendung. Im Vordergrund steht in diesem Bereich die Grundlagenforschung, um Diamant durch geeignete Dotierung von einem Nichtleiter zu einem Halbleiter zu transformieren. Die Herstellung und Untersuchung der in enger Beziehung zu den dotierten Diamantschichten stehenden Metallkarbide erfolgt mit der neu am EnCN aufgestellten PVD-Anlage TINA 700. Über die integrierten unterschiedlichen PVD-Techniken (Sputtern, Lichtbogenabdampfen, Widerstandsverdampfen) sollen durch Reaktion mit einer Kohlenstoff-haltigen Gasphase Metallkarbidschichten im Bereich 50 µm bis 100 µm hergestellt und deren thermoelektrischen Eigenschaften charakterisiert werden Die Zugabe von Stickstoff in den PVD-Prozess soll die Herstellung von Metallnitriden bzw. Metallcarbonitriden ermöglichen.

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Zur nachhaltigen Nutzung der Abwärmemengen beispielsweise von Fahrzeugen oder Kraftwerken eignet sich die auf dem Seebeckeffekt beruhende Technik der thermoelektrischen Generatoren (TEG), die aus Temperaturdifferenzen direkt elektrischen Strom erzeugt. Die derzeitig etablierten thermoelektrischen Materialen lassen keinen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz zu, weil sie entweder toxisch und nur in sehr geringen Mengen verfügbar sind (Bismut- und Bleitelluride), oder noch zu geringe Wirkungsgrade aufweisen (SiGe). Einkristalliner oder mikrokristalliner Diamant haben eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (ca. 2000 W/mK) und eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, weshalb sie als thermoelektrisches Material zunächst ungeeignet scheinen. Durch die Abscheidung von bordotiertem, nanokristallinem Diamant auf temperaturbeständigen Templaten im CVD-Verfahren und deren nachfolgende Ablösung können selbsttragende Diamantfolien hergestellt werden. Diese sind ein vielversprechendes thermoelektrisches Material, weil sie sowohl gute elektrische Leitfähigkeiten als auch niedrige Wärmeleitfähigkeiten (2 W/mK) aufweisen. Dazu sind sie und sehr temperaturbeständig (600 °C an Luft, 1100 °C unter Luftabschluss). Dadurch erscheinen hohe Wirkungsgrade (ZT-Werte 2-3) möglich. Im beantragten Projekt sollen bordotierte, p-leitende, nanokristalline Diamantfolien mit verschiedenen Prozessparametern (Druck, Methangehalt, Borgehalt, Beschichtungstemperatur) hergestellt und auf ihre thermoelektrischen Eigenschaften (Seebeckkoeffizient, thermische und elektrische Leitfähigkeit) untersucht werden. Außerdem sollen die p-Folien mit schon existierenden ("schlechten") n-Folien zu thermoelektrischen Generatoren verlötet und dann ebenfalls charakterisiert werden.

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