DE102009002320B4

DE102009002320B4 - Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands einer Oberfläche eines metallischen Körpers und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102009002320B4
Application number: DE102009002320A
Authority: DE
Inventors: Dennis Hoffmeister; Nils Mainusch; Prof. Dr. Viöl Wolfgang; Florian Voigts; Wolfgang Maus-Friedrichs
Original assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFT und KUNST FACHHOCHSCHULE HILDESHEIM HOLZMINDEN GOETTINGEN; Hochschule fur Angewandte Wissenschaft und Kunst Fachhochschule Hildesheim/holzminden/gottingen; Technische Universitaet Clausthal
Current assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFT und KUNST FACHHOCHSCHULE HILDESHEIM HOLZMINDEN GOETTINGEN; Hochschule fur Angewandte Wissenschaft und Kunst Fachhochschule Hildesheim/holzminden/gottingen; Technische Universitaet Clausthal
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: DE102009002320A1; CN102460788A; KR20120016090A; WO2010115799A1; CN102460788B

Abstract

Verfahren zum Reduzieren des elektrischen Kontaktwiderstands einer Oberfläche (9) eines metallischen Körpers (2), wobei während einer physikalischen Behandlung der Oberfläche (9) unter reduzierenden Bedingungen elementarer Kohlenstoff in Form von Partikeln (19) an der Oberfläche bereitgestellt wird, die jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoffatomen umfassen, wobei zur Durchführung der physikalischen Behandlung ein physikalisches Plasma (18) über der Oberfläche (9) durch elektrische Entladung generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (18) durch Anlegen einer Spannung an eine gegenüber der Oberfläche (9) angeordnete Elektrode (7) generiert wird, vor der zur dielektrischen Behinderung der auf den metallischen Körper (2) gerichteten Entladung ein Dielektrikum angeordnet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reduzieren des Kontaktwiderstands einer Oberfläche eines metallischen Körpers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung einer speziellen Ausführungsform eines solchen Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 14. Dabei ist hier unter dem Reduzieren des Kontaktwiderstands nicht nur sein Absenken unter einen vorherigen Wert, der durch an der Oberfläche gebildete sauerstoffhaltige Verbindungen erhöht ist, sondern auch sein Konservieren auf einem vorliegenden Wert zu verstehen, der sich ohne eine Behandlung der Oberfläche beispielsweise durch Bildung sauerstoffhaltiger Verbindungen an der Oberfläche erhöhen würde.
Bei dem durch das Verfahren herstellbaren metallischen Körper kann es sich insbesondere um eine Elektrode einer Batterie, einer Brennstoffzelle, eines Kondensators oder dergleichen handeln. Typischerweise besteht der metallische Körper dabei aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch ausdrücklich nicht auf die Anwendung bei metallischen Körpern aus Aluminium und dessen Legierungen beschränkt. Vielmehr kann der metallische Körper auch beispielsweise aus Kupfer, Blei, Zink, Nickel, Titan und deren Legierungen bestehen.
An der Oberfläche vieler metallischer Körper bilden sich an Luftsauerstoff und/oder Luftfeuchtigkeit spontan sauerstoffhaltige Verbindungen, die den Kontaktwiderstand an der Oberfläche erhöhen. Bei diesen Verbindungen handelt es sich insbesondere um Oxid- und/oder Hydroxidverbindungen und im Falle eines metallischen Körpers aus Aluminium konkret um Aluminiumoxid (Al₂O₃). Die spontane Bildung dieser sauerstoffhaltigen Verbindungen stellt ein erhebliches Problem bei der Verwendung verschiedener Metalle als Elektrodenmaterial dar, da sie hochohmig sind und den Kontaktwiderstand einer mit ihnen überzogenen Oberfläche deutlich erhöhen.
STAND DER TECHNIK
Ein Verfahren zum Reduzieren des Kontaktwiderstands einer Oberfläche eines metallischen Körpers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sind aus der EP 1 609 878 A1 bekannt. Hier wird ein Körper aus Aluminium mit Kohlenstoff beschichtet, indem zunächst eine kohlenstoffhaltige Substanz auf die Oberfläche des Körpers aufgebracht wird und der Körper dann in einer kohlenwasserstoffhaltigen Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 660°C, vorzugsweise im Bereich von 450°C und 660°C, erhitzt wird. Bei den Partikeln aus elementarem Kohlenstoff kann es sich um (technischen) Ruß (Carbon Black) handeln, der mit Hilfe eines Bindemittels als Schicht auf die Oberfläche aufgebracht wird, bevor der metallische Körper unter einer Acetylen- oder Methangasatmosphäre für mehrere Stunden einer Temperatur von über 400°C ausgesetzt wird. Bei der erhöhten Temperatur bildet sich eine kohlenstoffhaltige Schicht auf der Oberfläche des metallischen Körpers aus. Diese kohlenstoffhaltige Schicht weist Fasern oder Filamente auf, die sich ausgehend von Teilchen aus Aluminiumcarbid erstrecken, welche in die Oberfläche des metallischen Körpers eingebettet sind. Die Fasern oder Filamente sollen ebenfalls aus einer Verbindung aus Aluminium und Kohlenstoff bestehen. An den Fasern haften Teilchen aus Kohlenstoff an. Die Größe dieser Kohlenstoffteilchen entspricht der Größe der Teilchen des eingesetzten technischen Rußes. Die Länge der Fasern oder Filamente liegt bei etwa 1 μm. Die Aluminiumcarbidteilchen in der Oberfläche des metallischen Körpers weisen eine nicht zahlenmäßig näher spezifizierte Größe auf, die sich aus den Zeichnungen auf etwa kleinergleich 1 μm abschätzen lässt. Das bekannte Verfahren ist sehr langwierig und setzt voraus, dass der metallische Körper, einschließlich etwaiger Anbauten, für lange Zeit auf die Behandlungstemperatur von über 400°C gebracht werden kann.
Bei der Herstellung eines positiven Kollektors für eine Lithium-Ionen-Zelle ist es z. B. aus der DE 103 53 309 A sowie den US-Patenten 5,478,676 A , 5,591,544 A , 6,403,263 B1 und 6,787,266 B1 bekannt, eine Aluminiumfolie mit einem Verbund aus lithiiertem Metalloxid und bis zu 10 Gewichtsprozent Leitruß zu verpressen, dem Silizium zugesetzt sein kann, wobei die elektrische Kontaktierung zwischen dem Leitruß und der Aluminiumfolie durch eine vorherige nasschemische Behandlung der Aluminiumfolie trotz der Oxidationsneigung des Aluminiums sichergestellt wird. Die nasschemische Behandlung der Aluminiumfolie stellt einen zusätzlichen Aufwand dar und ist mit der Gefahr des Eintrags unerwünschter chemischer Substanzen verbunden.
Zur Ausbildung von Schichten aus diamantartigem Kohlenstoff (Diamond Like Carbon = DLC) auf metallischen Oberflächen ist die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition = CVD) aus Kohlenwasserstoffgasen geeigneter Zusammensetzung bekannt. Eine Variante der CVD ist die plasmaunterstützte CVD (Plasma Enhanced CVD). Dabei wird die Energie, die zur Umwandlung des Kohlenstoffs aus dem Gas in DLC benötigt wird, durch Beschleunigung von Ionen aus dem Plasma gewonnen. Eine ausreichende Energieaufnahme der Ionen erfordert dabei längere Beschleunigungsstrecken, für die ein im Bereich des Plasmas gegenüber dem Atmosphärendruck erheblich reduzierter Druck Voraussetzung ist. DLC ist anders als Diamant ein elektrischer Leiter oder Halbleiter.
Aus der US 2006/0043882 A1 ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer Substratsbeschichtung mit einem vorgegebenen elektrischen Kontaktwiderstand bekannt, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Das Substrat wird in einer Vakuumkammer einem Plasma ausgesetzt, wobei sich auf dem Substrat eine Kohlenstoffschicht bildet, die einen festgelegten Widerstandswert aufweist. Das dabei zum Einsatz kommende Gas kann Argon oder Stickstoff sein, kann aber auch Methan oder Ethylen enthalten. Das Plasma wird von einer Plasmaquelle mit einem Graphittarget bereitgestellt.
Aus der JP 03274269 A sind DLC-Schichten aus einem Plasma bekannt, das in einem C₆H₆ enthaltenden Gas zwischen einem Glühdraht und einer gitterförmigen Beschleunigungselektrode gezündet wird.
Aus der WO 94/12680 A1 ist ein Verfahren zum Ausbilden von DLC-Schichten in einer Vakuumkammer ausgehend von einer Kohlenstoffkathode bekannt, der gegenüber ein Lichtbogen gezündet wird. Die von der Kathode freigesetzten ionisierten Kohlenstoffatome werden durch ein Magnetfeld selektiert und dann auf einem Substrat abgelagert.
Aus der US 5,786,068 A ist ein Verfahren zum Ausbilden von DLC-Schichten bekannt, bei dem eine Plasmaquelle gegenüber dem Substrat angeordnet ist, um zunächst das Substrat zu reinigen und dann durch Einführen einer Vorform des Schichtmaterials in das Plasma die jeweilige Schicht auf dem Substrat abzulagern. An dem Substrat kann dabei eine Gleich- oder Wechselspannung anliegen.
Aus der DE 600 15 725 T2 ist ein Verfahren zum In-Situ-Abscheiden eines festen Films auf einem Substrat bekannt, bei dem ein Aerosol aus Tröpfchen einer Materiallösung ausgebildet wird, die Tröpfchen durch ein elektrisches Feld ionisiert und auf das Substrat hin beschleunigt werden und das Substrat beheizt wird, um aus den Tröpfchen einen festen Film auszubilden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 14 aufzuzeigen, die binnen kurzer Zeit mit geringem Aufwand zu der gewünschten Reduzierung des Kontaktwiderstands führen, welcher durch an der Oberfläche gebildete sauerstoffhaltige Verbindungen erhöht ist, und mit einer wesentlich geringeren Gefahr des Eintrags von Fremdsubstanzen verbunden sind.
LÖSUNG
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 13 beschrieben. Der abhängige Patentanspruch 15 betrifft eine bevorzugte Ausführungsform der neuen Vorrichtung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem neuen Verfahren zum Reduzieren des Kontaktwiderstands einer Oberfläche eines metallischen Körpers, insbesondere eines Kontaktwiderstands, der durch mindestens eine an der Oberfläche gebildete sauerstoffhaltige Verbindung erhöht ist, wird über der Oberfläche ein physikalisches Plasma durch elektrische Entladung generiert, in dem reduzierende Bedingungen herrschen, und während des Generierens des Plasmas elementarer Kohlenstoff in Form von Partikeln an der Oberfläche bereitgestellt, die jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoffatomen umfassen. Die physikalische Behandlung mit Hilfe des Plasmas führt bereits binnen sehr kurzer Zeit zu dem erwünschten Ergebnis der dauerhaften Reduzierung des Kontaktwiderstands. Eine Behandlungsdauer von weit weniger als einer Stunde, in der Regel weniger als einer Minute, ist hierfür ausreichend. Während dieser Behandlung bilden sich aus den Partikeln aus elementarem Kohlenstoff in die Oberfläche des metallischen Körpers eingebettete Teilchen aus elementarem Kohlenstoff aus, die als Leitungskanäle durch die hochohmige Schicht aus sauerstoffhaltigen Verbindungen hindurchreichen. Es wird davon ausgegangen, dass sich diese Teilchen aus elementarem Kohlenstoff dort bilden, wo sich unter Einwirkung des physikalischen Plasmas durch die Schicht aus der hochohmigen sauerstoffhaltigen Verbindung hindurch Entladungsfilamente bilden, die bis zu dem leitfähigen metallischen Körper reichen und die Schicht lokal entfernen. Dies ist an solchen Stellen zu erwarten, an denen diese Schicht bereits von vorneherein besonders dünn war oder durch das Plasma und dessen reaktive Bestandteile in seiner Dicke weiter reduziert wurde. Die sich derart lokal bildende reine, d. h. nicht oxidierte Oberfläche des metallischen Körpers wird durch die Teilchen aus elementarem Kohlenstoff versiegelt, so dass sie später dem Luftsauerstoff nicht mehr ausgesetzt ist. Dabei mag es an der Grenzfläche des elementaren Kohlenstoffs zu dem Metall zur Bildung von Carbiden kommen, die die Haftung des Kohlenstoffs an dem Metall chemisch unterstützen. In jedem Fall setzt der Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens voraus, dass in dem generierten Plasma reduzierende Bedingungen herrschen, so dass eine sofortige Regeneration der Schicht aus den sauerstoffhaltigen Verbindungen auf der Oberfläche des metallischen Körpers verhindert wird; und der Kohlenstoff muss in elementarer Form in zusammenhängenden Partikeln in dem Plasma bereitgestellt werden. Dabei ist davon auszugehen, dass das Plasma nicht nur auf die Oberfläche des metallischen Körpers einwirkt und diese aktiviert, sondern dass auch eine Aktivierung der Partikel aus Kohlenstoff erfolgt, welche eine Voraussetzung für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. die dauerhafte Reduzierung des Kontaktwiderstands der behandelten Oberfläche des metallischen Körpers ist.
Konkret kann es sich bei den Partikeln aus elementarem Kohlenstoff um Rußpartikel handeln. Technischer Ruß weist Primärpartikel in einem typischen Bereich von 10 nm bis 300 nm Durchmesser auf. Bevorzugt sind für das erfindungsgemäße Verfahren Primärpartikel in einem Bereich von 10 nm bis 100 nm Durchmesser.
Grundsätzlich möglich ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Verwendung von Fullerenen statt Ruß als Partikel aus elementarem Kohlenstoff.
Die Partikel aus Kohlenstoff können bei dem neuen Verfahren auch einen Zuschlag aus elementarem Silizium aufweisen oder mit Partikeln aus elementarem Silizium vermischt sein.
Die Partikel aus Kohlenstoff können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dispergiert in einem Gas bereitgestellt werden, in dem das Plasma generiert wird. Zur Erzeugung eines solchen Aerosols können in einem Gasstrom Kohlestäbe unter Sauerstoffausschluss elektrisch abgebrannt werden. Die Rußpartikel können auch durch einen anderen Verbrennungsprozess bereitgestellt werden. Alternativ kann das Aerosol mit einem Feststoff-Dosierer erzeugt werden, in dem die Partikel aus Kohlenstoff als Pulver vorliegen, das in das Gas eindispergiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung einer solchen Ausführungsform des neuen Verfahrens vorgesehen, bei der die Partikel aus Kohlenstoff in Form eines Aerosols bereitgestellt werden, in dem das Plasma generiert wird, und weist dazu in einer Gaszufuhr für ein Gas, in dem das Plasma generiert wird, einen Aerosolgenerator auf.
Vorzugsweise ist bei der neuen Vorrichtung eine an einen Wechselhochspannungsgenerator angeschlossene Elektrode, mit der das Plasma gezündet und aufrechterhalten wird, um ein Endrohr aus dielektrischem Material der Gaszufuhr herum angeordnet.
Die Partikel aus Kohlenstoff können aber auch unmittelbar auf der Oberfläche des metallischen Körpers bereitgestellt werden, beispielsweise in Form eines Stoffverbunds. Dieser Stoffverbund darf jedoch nur eine begrenzte Dicke haben oder er muss porös sein, damit die Oberfläche des zu behandelnden metallischen Körpers nicht vollständig gegenüber dem Plasma abgeschirmt wird, das über der Oberfläche generiert wird. Dabei reicht eine Porosität des Verbunds aus, die derjenigen einer lithiierten Metalloxidschicht mit zugesetztem Leitruß entspricht, wie sie zur Ausbildung eines Kollektors einer Lithium-Ionen-Zelle verwendet wird. Das heißt, auch wenn ein Plasma bei einem erfindungsgemäßen Verfahren über einer solchen Schicht generiert wird, wird die Oberfläche des darunterliegenden metallischen Körpers, beispielsweise aus Aluminium, noch so weit von dem Plasma erreicht, dass die gewünschte dauerhafte Reduzierung des Kontaktwiderstand der Oberfläche erreicht wird.
Zudem ist es bevorzugt, wenn weitere Stoffe des Stoffverbunds, in dem die Partikel aus Kohlenstoff bereitgestellt werden, ihrerseits nicht elektrisch leitfähig sind. Hiermit ist insbesondere eine Leitfähigkeit durch Elektronenleitung und weniger eine Leitfähigkeit durch Ionenbewegung gemeint.
Um ein Plasma zu erzeugen, in dem reduktive Bedingungen herrschen, kann das Plasma in einem Gas generiert werden, das ein Gemisch aus einem Edelgas oder anderem Inertgas und Wasserstoff aufweist. Als Edelgas kommt insbesondere Argon, als anderes Inertgas Stickstoff in Betracht. Grundsätzlich kann ein reduktives Plasma auch auf der Basis von Kohlenwasserstoffverbindungen erzeugt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es aber bevorzugt, das Plasma in einem Gas zu generieren, das keine erheblichen Mengen an Kohlenwasserstoffverbindungen aufweist. Das heißt, der Kohlenstoff wird bei dem neuen Verfahren ausschließlich in elementarer Form bereitgestellt. Der Kohlenstoff kann aber auch in dieser elementaren Form zur Reduktivität des Plasmas beitragen oder diese sogar bereitstellen. Dazu ist das Plasma in einem soweit wie möglich sauerstofffreien Gas zu generieren, was bei dem neuen Verfahren sowieso stark bevorzugt ist.
Um den Aufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gering zu halten, wird das Plasma vorzugsweise bei einem Druck über der Oberfläche im Bereich von 900 bis 1200 hPa (absolut) generiert, d. h. bei Atmosphärendruck.
Um die Materialbelastung des metallischen Körpers durch das Plasma möglichst gering zu halten und um auch in die Umgebung des Plasmas nicht in unerwünschter Weise thermische Energie einzutragen, wird das Plasma vorzugsweise als kaltes Plasma generiert. Insbesondere weist das Plasma eine Gastemperatur, d. h. eine Temperatur der schweren Teilchen ohne die Elektronen, von deutlich weniger als 400°C auf. Vorzugsweise liegt die Gleichgewichtstemperatur des Plasmas bei weniger als 100°C. Besonders bevorzugt weicht sie nicht signifikant von der Raumtemperatur ab, d. h. sie liegt nicht höher als 50°C.
Das kalte Plasma wird durch eine dielektrisch behinderte Entladung, die auch als stille Entladung bezeichnet wird, besonders einfach gezündet und aufrechterhalten.
Beim Generieren des Plasmas wird der metallische Körper als Elektrode oder Gegenelektrode verwendet, an die bzw. gegenüber der eine Spannung angelegt wird, die sich unter der Plasmaerzeugung entlädt. Die Existenz des metallischen Körpers angrenzend an das Plasma lenkt die Entladung auf den metallischen Körper hin.
Das Plasma wird durch Anlegen einer Spannung an eine gegenüber der Oberfläche angeordnete Elektrode generiert, vor der zur dielektrischen Behinderung der Entladung ein Dielektrikum angeordnet ist. Der metallische Körper kann dabei als kapazitive Elektrode wirken. Vorzugsweise wird er aber geerdet. Über die Erdung des metallischen Körpers werden auch etwaige Nettoströme, die durch das Plasma fließen, abgeleitet, so dass sie nicht zu einer statischen Aufladung des metallischen Körpers führen.
Bei dem metallischen Körper, der durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar ist, sind in die von der hochohmigen sauerstoffhaltigen Verbindung beschichteten Oberfläche Teilchen aus elementarem Kohlenstoff eingebettet. Diese Teilchen liegen an der äußeren Oberfläche des metallischen Körpers. Hieran kann sich eine weitere Beschichtung des metallischen Körpers anschließen, die dann über die Teilchen aus elementarem Kohlenstoff elektrisch mit dem Volumen des metallischen Körpers kontaktiert ist. Die Größe der Teilchen aus Kohlenstoff liegt in einem typischen Bereich von 500 nm bis 5000 nm im Durchmesser. Insbesondere beträgt der Durchmesser der Teilchen aus elementarem Kohlenstoff 1000 nm bis 3000 nm. Entsprechend liegt die Zahl der Kohlenstoffatome in jedem der Teilchen oberhalb 10⁹.
Bei den Teilchen aus elementarem Kohlenstoff handelt es sich nicht um diamantartigen Kohlenstoff (DLC). Die für die Bildung derartiger Substanzen, die zudem nicht die gewünschte elektrische Leitfähigkeit bereitstellen könnten, notwendigen kinetischen Energien werden bei der erfindungsgemäßen Plasmabehandlung nicht erreicht. Vielmehr ist davon auszugehen, dass der elementare Kohlenstoff in den in die Oberfläche des metallischen Körpers eingebetteten Partikeln graphitische Struktur aufweist.
Die in die Oberfläche eingebetteten Teilchen aus elementarem Kohlenstoff können einen Anteil an Silizium aufweisen.
Ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellter metallischer Körper aus Aluminium weist an seiner erfindungsgemäß behandelten Oberfläche einen dauerhaft reduzierten Kontaktwiderstand auf, der über lange Zeiträume stabil bleibt. Die in seiner Oberfläche eingebetteten Kohlenstoffteilchen lassen sich von dieser weder abwischen noch aus dieser beispielsweise mit Wasser oder Aceton auswaschen oder herauslösen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.
2 zeigt eine konkrete Ausgestaltung eines Details der Vorrichtung gemäß 1.
3 zeigt das Detail gemäß 2 bei der Durchführung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt das Detail gemäß 2 bei der Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der Oberfläche einer Aluminiumfolie vor der Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
6 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines anderen Bereichs der Oberfläche der Aluminiumfolie gemäß 5 nach der Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
7 zeigt eine AFM-Aufnahme eines in die Oberfläche der Aluminiumfolie gemäß 6 eingebetteten Teilchens aus elementarem Kohlenstoff.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 skizzierte Vorrichtung 1 dient zur Behandlung einer Oberfläche 9 eines Körpers 2 aus einem Metall 3, der auf einer Verfahreinheit 4 gegenüber der Vorrichtung 1 angeordnet und geerdet ist. Die Vorrichtung 1 weist eine Gasquelle 5 auf, die ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff bereitstellt, das letztlich aus einem Endrohr 6 aus dielektrischem Material auf den Körper 2 hin austritt. Um das Endrohr 6 herum ist eine ringförmige Elektrode 7 angeordnet, die an einen Wechselhochspannungsgenerator 8 angeschlossen ist, mit dem eine gepulste Wechselhochspannung an die Elektrode 7 anlegbar ist, um mittels einer dielektrisch behinderten Entladung in dem von der Gasquelle 5 kommenden Gas ein kaltes physikalisches Plasma über der Oberfläche 9 des Körpers 2 zu generieren, d. h. zu zünden und aufrechtzuerhalten. In 1 ist die Entladungsstrecke 10 zeichnerisch dargestellt, um die herum das Plasma auf diese Weise generiert wird. Zwischen der Gasquelle 5 und dem Endrohr 6 ist in einer Gaszufuhr 11 ein Aerosolgenerator 12 angeordnet, der in dem von der Gasquelle 5 kommenden Gas 15 Partikel aus Kohlenstoff dispergiert. Konkret weist der Aerosolgenerator 12 hier einen Rußgenerator 25 auf, in dem zwei Kohlestäbe 13 an einen Hochspannungsgenerator 14 angeschlossen sind, um durch eine Lichtbogenentladung zwischen den Kohlestäben 13 Rußpartikel in das von der Gasquelle 5 kommende sauerstofffreie Gas 15 abzugeben. Um eine Wechselwirkung der Elektrode 7 mit dem Aerosolgenerator 12 zu vermeiden, ist die Gaszufuhr 11 zwischen dem Aerosolgenerator 12 und dem Endrohr 6 geerdet. Mit Hilfe des Aerosolgenerator 12 werden die Partikel aus elementarem Kohlenstoff in dem Gas 15 bereitgestellt, in dem das Plasma längs der Entladungsstrecke 10 über der Oberfläche 9 des Körpers 2 generiert wird.
Dies ist näher in 2 dargestellt, die das Endrohr 6, die Elektrode 7 und ein dazwischen angeordnetes zusätzliches Dielektrum mit hoher Durchschlagfestigkeit (PET-Folie) als Isolationsschicht 16 gegenüber einem Ausschnitt des Körpers 2 mit der Oberfläche 9 zeigt. An der Oberfläche 9 sind sauerstoffhaltige Verbindungen 17 ausgebildet, die den elektrischen Kontaktwiderstand der Oberfläche 9 hochsetzen, weil sie selbst nicht elektrisch leitfähig sind. So kann das Metall 3 Aluminium sein, an dessen Oberfläche sich in der normalen sauerstoffhaltigen Atmosphäre quasi instantan eine Aluminiumoxidschicht bildet. Durch die Behandlung mit der Vorrichtung 1 wird der elektrische Kontaktwiderstand der Oberfläche 9 dauerhaft herabgesetzt. Dies geht einerseits auf die Einwirkung des hier zeichnerisch dargstellten Plasmas 18 auf die Oberfläche 9 und andererseits auf die von dem zugeführten Gas 15 mitgeführten Partikel 19 aus Kohlenstoff zurück. Das Plasma 18 aktiviert einerseits die Oberfläche 9 und andererseits die Partikel 19, so dass sich Teilchen aus elementarem Kohlenstoff in die Oberfläche 9 derart einbetten können, dass sie als elektrisch leitfähige Kanäle durch die Schicht aus den hochohmigen sauerstoffhaltigen Verbindungen 17 bereitstehen.
3 skizziert, dass Partikel 19 aus Kohlenstoff für die Behandlung der Oberfläche 9 auch auf anderem Wege in dem Plasma 18 bereitgestellt werden können, das über der Oberfläche 9 generiert wird. Gemäß 3 ist hierzu eine Schicht aus den Partikeln 19 auf die Oberfläche 9 aufgebracht, beispielsweise mit Hilfe eines Bindemittelzusatzes. Auch unter diesen Bedingungen aktiviert das Plasma 18 sowohl die Oberfläche 9 des Körpers 2 aus dem Metall 3 als auch die Partikel 19 aus elementarem Kohlenstoff und sorgt für die Ausbildung der in die Oberfläche 9 eingebetteten Teilchen aus elementarem Kohlenstoff, die als Leitungskanäle durch die Schicht aus den sauerstoffhaltigen Verbindungen 17 dienen.
4 skizziert noch eine Variante der Behandlung der Oberfläche 9 des Körpers 2. Hier ist auf die Oberfläche 9 oberhalb der Schicht aus den sauerstoffhaltigen Verbindungen ein Stoffverbund 20 aufgebracht, der aus einem lithiierten Metalloxid mit zugesetztem Leitruß besteht. Dabei stellt hier dieser Leitruß die Partikel aus Kohlenstoff in dem Plasma 18 bereit, das über der Oberfläche 9 generiert wird. Trotz des Stoffverbundes 20 vor der Oberfläche 9 kann das Plasma 18 bis an die Oberfläche 9 und dort auf die Schicht aus den sauerstoffhaltigen Verbindungen 17 einwirken, weil der Stoffverbund 20 ausreichend porös ist, auch wenn nach vorliegenden REM-Aufnahmen die Poren maximal einen Durchmesser von 5 μm aufweisen.
5 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme einer Aluminiumfolie, d. h. eines potentiellen zu behandelnden Körpers 2 aus Aluminium als Metall 3. An der Oberfläche 9 des Körpers 2 sind dabei Störungen 21 zu erkennen, die wie die über die gesamte Oberfläche 9 verteilten parallelen Riefen 26 auf den Walzprozess zurückgehen. Dass die ganze Oberfläche 9 hier mit sauerstoffhaltigen Verbindungen in Form von Al₂O₃ (Aluminiumoxid) überzogen ist, ist in der Abbildung, die eine etwa 1000fache Vergrößerung aufweist, nicht zu erkennen. Die Schichtdicke der sauerstoffhaltigen Verbindungen beträgt typischerweise wenige bis einige 10 nm.
Die Abbildung gemäß 6 der Aluminiumfolie 22 gemäß 5 (in einem anderen Bereich), die dieselbe Vergrößerung wie 5 aufweist, zeigt eine Vielzahl von in die Oberfläche 9 eingebetteten (dunklen) Teilchen 23 aus elementarem Kohlenstoff, die das Ergebnis einer Behandlung gemäß einer der 1 bis 3 sind. Diese Teilchen 23 aus Kohlenstoff erhöhen dauerhaft die elektrische Kontaktleitfähigkeit der Oberfläche 9.
7 zeigt eines der Kohlenstoffteilchen 23 in einem 5 × 5 μm großen Ausschnitt aus der Aluminiumfolie 22. Das Teilchen 23 aus elementarem Kohlenstoff 24, das in die Oberfläche 9 eingebettet ist, weist Abmessungen in der Ebene der Oberfläche 9 von ungefähr 2 μm auf.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Körper
3: Metall
4: Verfahreinheit
5: Gasquelle
6: Endrohr
7: Elektrode
8: Wechselhochspannungsgenerator
9: Oberfläche
10: Entladungsstrecke
11: Gaszufuhr
12: Aerosolgenerator
13: Kohlestab
14: Hochspannungsgenerator
15: Gas
16: Isolationsschicht
17: Sauerstoffhaltige Verbindung
18: Plasma
19: Partikel
20: Verbund
21: Oberflächenstörung
22: Aluminiumfolie
23: Teilchen
24: Kohlenstoff
25: Rußgenerator
26: Riefe

Claims

Verfahren zum Reduzieren des elektrischen Kontaktwiderstands einer Oberfläche (9) eines metallischen Körpers (2), wobei während einer physikalischen Behandlung der Oberfläche (9) unter reduzierenden Bedingungen elementarer Kohlenstoff in Form von Partikeln (19) an der Oberfläche bereitgestellt wird, die jeweils eine Vielzahl von Kohlenstoffatomen umfassen, wobei zur Durchführung der physikalischen Behandlung ein physikalisches Plasma (18) über der Oberfläche (9) durch elektrische Entladung generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (18) durch Anlegen einer Spannung an eine gegenüber der Oberfläche (9) angeordnete Elektrode (7) generiert wird, vor der zur dielektrischen Behinderung der auf den metallischen Körper (2) gerichteten Entladung ein Dielektrikum angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (19) Rußpartikel sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (19) Primärpartikel mit einem Durchmesser in einem Bereich von 10 nm bis 300 nm, vorzugsweise in einem Bereich von 10 nm bis 100 nm. aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (19) in einem Gas (15) dispergiert bereitgestellt werden, in dem das Plasma (18) generiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (19) auf der Oberfläche (9) bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (19) in einem Stoffverbund (20) bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffverbund (20) porös ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Stoffe des Stoffverbunds (20) nicht elektrisch leitfähig sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (18) in einem Gas (15) generiert wird, das ein Gemisch aus einem Edel- oder Inertgas, insbesondere Argon oder Stickstoff, und Wasserstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (15), in dem das Plasma (18) generiert wird, keine Kohlenwasserstoffverbindung aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (18) bei einem Druck über der Oberfläche (9) im Bereich von 900 bis 1200 hPa generiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (18) als kaltes Plasma mit einer Gastemperatur kleiner als 400°C, vorzugsweise kleiner als 100°C generiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Körper (2) während des Generierens des Plasmas (18) geerdet wird.
Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 oder eines darauf rückbezogenen Anspruchs 9 bis 13, mit einer Gaszufuhr (11) für ein Gas (15), in dem das Plasma (18) generiert wird, und mit einer an einen Wechselhochspannungsgenerator (8) angeschlossenen Elektrode (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode der Oberfläche des Substrats gegenüber liegt und vor der Elektrode zur dielektrischen Behinderung einer auf das Substrat gerichteten Entladung zur Erzeugung des Plasmas ein Dielektrikum angeordnet ist und dass in der Gaszufuhr (11) ein Aerosolgenerator (12) angeordnet ist, der Partikel aus Kohlenstoff in dem Gas (15) dispergiert.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (7) um ein Endrohr (6) aus dielektrischem Material der Gaszufuhr (11) herum angeordnet ist.