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WO2012123530A1 - Beschichtung sowie verfahren und vorrichtung zum beschichten - Google Patents

Beschichtung sowie verfahren und vorrichtung zum beschichten Download PDF

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WO2012123530A1
WO2012123530A1 PCT/EP2012/054530 EP2012054530W WO2012123530A1 WO 2012123530 A1 WO2012123530 A1 WO 2012123530A1 EP 2012054530 W EP2012054530 W EP 2012054530W WO 2012123530 A1 WO2012123530 A1 WO 2012123530A1
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WO
WIPO (PCT)
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platelet
plasma jet
shaped particles
particles
coating
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2012/054530
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bisges
Christian Wolfrum
Marco Greb
Markus Rupprecht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eckart GmbH
Relyon Plasma GmbH
Original Assignee
Eckart GmbH
Reinhausen Plasma GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2013558432A priority patent/JP5888342B2/ja
Priority to CN201280012705.4A priority patent/CN103415644B/zh
Priority to KR1020137027300A priority patent/KR20140052982A/ko
Publication of WO2012123530A1 publication Critical patent/WO2012123530A1/de
Priority to US14/027,738 priority patent/US20140023856A1/en
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    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/26—Plasma torches
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for applying a coating to a substrate, in which by passing a working gas through an excitation zone a plasma jet of a
  • the invention relates to a coating on a substrate of at least partially intergrown platelet-shaped particles and the use of platelet-shaped particles.
  • a known method is the plasma spraying, in which a by a
  • Arc of a plasma burner flowing gas or gas mixture is ionized.
  • a highly heated, electrically conductive gas with a temperature of up to 20,000 K is generated.
  • this plasma jet powder usually injected in a particle size distribution between 5 to 120 ⁇ , which is melted by the high plasma temperature.
  • the plasma jet entrains the powder particles and places them on the substrate to be coated.
  • the plasma coating by way of plasma spraying can be under normal
  • Atmosphere done.
  • the high gas temperatures of over ⁇ ⁇ . ⁇ are required to melt the powder and thus be able to deposit as a layer. So that's it Plasma spraying energetically very expensive, creating a cost-effective
  • Coating of substrates is often not possible.
  • expensive apparatus must be used to produce the high temperatures. Due to the high temperatures, temperature-sensitive and / or very thin substrates, such as polymer films and / or paper, can not be coated. Due to the high thermal energy, such substrates are involved
  • a further disadvantage is that during plasma spraying, a high thermal load of the particles used occurs, as a result of which they can at least partially oxidize, in particular when metallic particles are used. This is particularly disadvantageous when metallic layers are to be deposited, for example, for printed conductors or as
  • Corrosion protection should be used. For these reasons, methods have been developed which use so-called atmospheric cold plasma, also referred to as low temperature plasma, to create layers on substrates.
  • a cold plasma jet is generated at atmospheric conditions by methods known in the art and introduced into the plasma jet, a powder, which is then deposited on the substrate.
  • Precursor material are fed into a plasma and reacted there, whereby only relatively low deposition rates of 300 - 400 nm / sec can be achieved. These are compared to the deposition rates, which are achieved in corresponding processes with powdery starting materials, even with the use of particles which are in the order of 100 ⁇ , by a factor of 10-1000 lower. Accordingly, is an economic
  • EP 1 675 971 B1 is another method for coating a substrate surface using a plasma jet of a
  • Low-temperature plasma known to which a fine-grained, coating-forming powder in a size of 0.001 - 100 ⁇ is supplied by means of a powder conveyor.
  • the temperature of a low-temperature plasma in the core of the plasma jet at ambient pressure reaches less than 900 degrees Celsius.
  • EP 1 675 971 B1 specifies temperatures in the core of the occurring plasma jet of up to 20,000 degrees Celsius.
  • a disadvantage is that powders of materials with higher melting points, e.g. ceramic materials or refractory metals, can not be melted in the process.
  • the speed of the plasma jet is so high that the residence time of the small particles of the powder in the hot zones of the plasma is insufficient to achieve a complete melting of the particles. Therefore, in materials having an elevated melting temperature (for example, Ag, Cu, Ni, Fe, Ti, W), at most, melting of the particle surface occurs, and a porous layer in which the particles are almost in their formation
  • the method is therefore primarily suitable for coating substrates with low-melting metals such as tin and zinc.
  • Coating materials is reduced, so that a perfect coating especially with coating materials with higher
  • Coating can be specified.
  • the object is achieved in a method of the type mentioned in that platelet-shaped particles having an average thickness H between 10 and 50,000 nanometers and a form factor F in the value range from 10 to 2000 are fed into the plasma jet directed onto the substrate.
  • the platelet-shaped particles preferably have an average thickness H of between 50 and 5,000 nm, more preferably between 100 and 2,000 nm.
  • the exact mean thickness H of the 10 platelet-shaped particles is determined by the degree of water coverage (spread to DIN 55923) and / or by scanning electron microscopy (SEM).
  • the shape factor is defined as the ratio of the mean linear expansion D to the mean thickness H of the platelet-shaped particles.
  • Form factor 10 the particles have a value for the middle
  • Length expansion D of 0.1 ⁇ on. If platelet-shaped particles with an average thickness H of 50,000 nm and a form factor 10 are used in the method according to the invention, the particles have a value for the middle one Length expansion D of 500 ⁇ on. The desired mean length expansion of the particles depends strongly on the respective
  • the feeding of the platelet-shaped particles into the plasma jet does not necessarily have to take place in the gaseous state, but can also be carried out in the liquid or solid state Feed of the platelet-shaped particles, however, by means of a carrier gas for the
  • the feed opening of the jet generator is connected via a line with a vortex chamber.
  • the vortex chamber is listed as a closed container and filled at most up to a maximum level with the platelet-shaped particles.
  • the platelet-shaped particles are acted upon by at least one gas inlet with a pressurized carrier gas, in particular in a periodic sequence, whereby the fluidized platelet-shaped particles together with the carrier gas as a mixture via at least one above the maximum level of the vortex chamber arranged outlet from the container
  • the periodic loading of the platelet-shaped particles in the vortex chamber with the carrier gas takes place at a frequency in the range of 1 Hz to 100 Hz.
  • the particles are subjected to the carrier gas in succession over several gas inlets.
  • the gas inlet (s) can open directly into the usually existing supply of platelet-shaped particles.
  • the plasma jet is generated under a pressure in a pressure range of 0.5-1.5 bar, but preferably under the conditions of ambient pressure. It is also called an atmospheric plasma. Quite surprisingly, it has been found that with the use of platelet-shaped particles, layers with outstanding properties can also be produced with metals of higher melting point and non-metals. The higher specific surface area of platelet-shaped particles compared to spherical particles is probably responsible for the very good properties.
  • platelet-shaped particles and is defined as follows:
  • nanoparticles are characterized by a reduced melting point compared to the macromaterial. Such nanoparticles have a very large surface area in relation to their volume. This means that they have far more atoms on their surface than larger particles. Since atoms on the surface are less binding partners available, as atoms in the core of the particle, such atoms are very reactive. Because of this, they can be much more involved with particles in their immediate environment Interaction occur as is the case with macroparticles.
  • the platelet-shaped particles used in the invention have a significantly increased surface area compared to mass-like spherical particles. The surface of a spherical particle with a radius of 1 ⁇ is opposite to a
  • the increased surface area of the platelet-shaped particles enhances binding between the deposited particles with each other as well as between the particles and the substrate.
  • a further advantage of the platelet-shaped particles is that their specific larger surface compared with mass-like spherical particles covers the substrate to be coated more efficiently. In particular with opaque coatings, therefore, the coating process can be done with less
  • the shape factor is defined as the ratio of the mean linear expansion D to the mean thickness H of the platelet-shaped particles. If platelet-shaped particles having an average thickness H of 10 nm and a shape factor 10 are used in the method according to the invention, the particles have a value for the mean longitudinal extent D of 0.1 ⁇ m. Be in the inventive
  • the particles When the method uses platelet-shaped particles having an average thickness H of 50,000 nm and a shape factor 10, the particles have a value for the mean longitudinal extent D of 500 ⁇ m.
  • the desired mean longitudinal expansion of the particles depends strongly on the respective coating purpose.
  • a better orientation of the platelet-shaped particles deposited on the substrate can be ensured. This is of particular interest in color coatings of surfaces.
  • the thickness distribution is an important parameter for the characterization of platelet-shaped particles according to the invention
  • Thickness distribution exist in the prior art no measuring devices that can easily determine this value. A determination is therefore made by default by determining the thickness of a statistically sufficient number
  • the particles are dispersed, for example in a paint and then applied to a film.
  • the coated film is then cut with a suitable tool so that the cut runs through the paint. Subsequently, the prepared film is introduced into the SEM such that the observation direction is perpendicular to the cut surface. In this way, the majority of the particles are viewed from the side so that their thickness can be easily determined. »The determination is carried out by default by marking the corresponding boundaries using a suitable tool such as the SEM devices of Manufacturer supplied software packages. For example, the determination can be carried out by means of a REM device of the Leo series of the manufacturer Zeiss (Germany) and the software Axiovision 4.6 (Zeiss, Germany). The thickness distribution of the platelet-shaped particles is not homogeneous. The
  • Thickness distribution is expediently represented in the form of a cumulative passage curve.
  • the mean value is the hso value of
  • the thickness distribution can also be described with the Hi 0 or H 90 value.
  • the platelet-shaped particles are preferably by means of a
  • Carrier gas is fed into the plasma jet.
  • platelet-shaped particles in the plasma jet need not necessarily be in the gaseous state, but can also be in the liquid or solid state.
  • the volume flow of the carrier gas is preferably in a range of 1 l / min to 1 5 l / min and the pressure in a range between 0.5 bar to 2 bar.
  • Homogeneous feeding of the platelet-shaped particles into a core zone of the plasma jet with a gas temperature of less than 900 degrees Celsius preferably takes place transversely to the propagation direction of the plasma jet.
  • Such platelet-shaped particles can be prepared by various methods. Depending on whether they are metallic or non-metallic materials, such as, for example, ceramic or oxidic materials, different methods of production can be used.
  • the production of metallic platelet-shaped particles preferably takes place by mechanical deformation of powders, in particular metal powders. The mechanical deformation usually takes place in mills, in particular in
  • Rotary tube ball mills etc.
  • the mechanical deformation is usually carried out by wet milling, ie by grinding the powder together with solvent, in particular organic solvent such as white spirit, and in the presence of lubricants or wetting and / or dispersing additives such as oleic acid, stearic acid etc ..
  • the grinding takes place in Presence of grinding media, usually grinding balls, wherein the ball diameter is usually in a range of 0.1 to 10 mm, preferably from 0.2 to 4.0 mm.
  • the grinding media are usually made of ceramic, glass or metal, such as steel.
  • steel balls are used as grinding bodies.
  • Such a deformation is described for example in DE 10 2007 062 942 A1, the content of which is hereby incorporated by reference.
  • the powder used is preferably classified by size and this is then mechanically deformed to obtain platelet-shaped particles in a size distribution with a D50 value from 0.5 to 200 ⁇ m.
  • the classification can be carried out, for example, with air classifiers, cyclones, sieves and / or other known devices.
  • the metal particles can be measured in the form of a dispersion of particles.
  • the scattering of the irradiated laser light is in
  • the particles are treated mathematically as spheres.
  • the determined diameters always relate to the equivalent spherical diameter averaged over all spatial directions, irrespective of the actual shape of the metal particles. It determines the size distribution, which is calculated in the form of a volume average (based on the equivalent spherical diameter). This volume-averaged size distribution can i.a. when
  • Summed passage curve are shown.
  • the sum curve in turn is usually characterized simplifying by certain characteristics, z.
  • the D50 or D90 value By a D90 value is meant that 90% of all particles are below the specified value. In other words, 10% of all Particles above the specified value. At a D50 value, 50% of all particles are below and 50% of all particles are above the specified value.
  • the powder may first be ground and then classified by size in order to obtain the platelet-shaped particles according to the invention having a size distribution with a D50 value from a range from 1 to 150 ⁇ m.
  • the size distribution between 1, 5 ⁇ and 100 ⁇ . According to a very preferred embodiment, it is between 2 ⁇ and 50 ⁇ .
  • the degree of purity of the metals is preferably more than 70 wt .-%, more preferably more than 90 wt .-%, particularly preferably more than 95 wt .-%, each based on the total weight of the metal, the alloy or
  • the metal the metal mixture or metal alloy can be melted under heat, for example, and then converted into a powder by atomization or by application to rotating components.
  • metallic powders produced in this way have a particle size distribution with an average size (D 50 value) in the range from 1 to 100 ⁇ m, preferably from 2 to 80 ⁇ m.
  • non-metallic layers are to be applied to substrates, preferably non-metallic platelet-shaped particles are used in the
  • Coating process used In this case, completely oxidized or even partially oxidized, e.g. only surface-oxidized educts are used. Such can be generated by targeted oxidation of metallic platelet-shaped particles. This oxidation can be carried out by all methods known to the person skilled in the art. Further oxidation is possible in particular in oxygen-containing plasmas and, depending on the amount of energy input and the coating material, the rule. By adjusting the oxygen content in the working gas, oxidation can optionally be controlled.
  • the metallic particles may be by gas phase oxidation and / or by Liquid phase oxidation are oxidized.
  • the oxidation is carried out in a liquid or by combustion in a gas stream.
  • the oxidation is carried out in a liquid phase or liquid
  • this is preferably done by first distributing the powder in the liquid phase or liquid. This can be done with or without addition of excipients and with or without the input of energy.
  • the dispersion takes place without the addition of auxiliaries and with stirring.
  • the liquid can be an inert
  • the dispersion either begins immediately or is initiated by the addition of an oxidizing agent and / or oxidation catalyst and / or by increasing the temperature.
  • the oxidation may already begin during the dispersion. Whether the oxidation reaction starts immediately depends on the chosen combination of liquid / metallic powder and possibly catalyst presence.
  • the oxidation is preferably started by adding an oxidizing agent and / or oxidation catalyst.
  • an oxidizing agent is sulfuric acid, potassium permanganate, hydrogen peroxide and other oxidizing agents known to those skilled in the art.
  • oxidation catalysts are metals, metal salts, acids and bases. In particular, in the case of the addition of acids and bases, the addition is preferably carried out so that a pH value suitable for the oxidation reaction is set in the reaction mixture.
  • the reaction is preferably maintained until the metal is at least 90% by weight, more preferably at least 95% by weight, even more preferably at least 99% by weight, based on the total weight the metallic particle is present in a non-zero oxidation state.
  • particles are completely present as metal oxide after the oxidation treatment.
  • the metal oxide content can be determined experimentally by methods known to the person skilled in the art.
  • the temperature can be raised, lowered or kept constant.
  • a further addition of one or more oxidizing agents and / or oxidation catalysts can take place, whereby the oxidation process can be controlled.
  • additional chemical reactions may be initiated and / or further reaction components.
  • Components for example metals or metal oxides, are incorporated into the resulting metal oxide particles, for example as doping.
  • the chemical and physical properties of the metal oxide particles, their size and their morphology can be adjusted specifically. Preference is given to
  • the metal oxide particles can be separated from the liquid in which the oxidation was carried out.
  • the separation can be carried out by directly removing the liquid from the reaction mixture. This can be done by methods known in the art such as thermal drying, preferably in a reduced pressure atmosphere.
  • the separation of the liquid takes place after a first concentration of the solid has been carried out by a simple process, in particular by filtration.
  • the metal oxide particles may optionally be subjected to annealing, i. be supplied to an additional temperature treatment.
  • annealing or this temperature treatment in particular the chemical composition and / or the crystal structure of the above
  • metal oxide particles are changed.
  • the temperatures of such a temperature treatment are typically above 200 ° C but below the melting or decomposition temperature.
  • the duration is typically a few minutes to a few hours.
  • aluminum hydroxide prepared by reacting aluminum metal powder in water by heating
  • Alumina are converted. With further temperature treatment in the range between 800 ⁇ ⁇ and 1300 ⁇ ⁇ , the crystal structure of the
  • Alumina can be adjusted specifically. Thus, for example, converts v- Al 2 O 3 upon heating to temperatures greater than 800 ° C in oc-Al 2 O 3 in order.
  • non-metallic platelet-shaped particles can also be produced directly.
  • platelet particles can be made from crystalline, semi-crystalline or amorphous material.
  • glass flakes are produced in which a jet of molten glass is poured onto a rotating, cup or cup-shaped vessel. Due to the rotation of the vessel, the glass melt is squirted out of the vessel in the form of a thin lamella. During this process, the melt solidifies, forming platelet-shaped particles of glass.
  • non-metallic platelet-shaped particles may be obtained by mechanical delamination of layered materials, e.g. Phyllosilicates, are generated.
  • the platelet-shaped particles may consist of different materials.
  • metallic particles these may consist, for example, of aluminum, zinc, tin, titanium, iron, copper, silver, gold, tungsten, nickel, lead, platinum, silicon, further alloys or mixtures thereof.
  • aluminum, copper, zinc and tin or alloys or mixtures thereof are particularly preferred.
  • non-metallic particles these may consist, for example, of oxides or hydroxides of the metals already mentioned or of other metals.
  • the particles may consist of glass, layer silicates such as mica or bentonites.
  • the particles may consist of carbides, silicates and sulfates.
  • the recovery and processing for the process of suitable particles may also be by other means (e.g., artificially by crystallization, drawing, etc.), breeding methods, or conventional scouring and flotation, etc.).
  • the particles may also be organic and inorganic salts.
  • the particles may consist of pure or mixed homo-, co-, block- or prepolymers or plastics or mixtures thereof, but also be organic pure or mixed crystals or amorphous phases.
  • the particles may also consist of mixtures of at least two materials.
  • the platelet-shaped particles have at least one, preferably enveloping coating.
  • the at least simple coating can be, for example, a protective layer against corrosion, which is also referred to as a corrosion protection layer.
  • the platelet-shaped particles according to the invention can, for example, with be provided at least one metal oxide layer.
  • Metal oxides, metal hydroxides and / or metal oxide hydrates are preferably carried out by precipitation, by sol-gel methods or by wet-chemical oxidation of the particle surface.
  • Oxides, hydroxides and / or hydrated oxides of silicon, aluminum, cerium, zirconium, yttrium, chromium and / or mixtures / admixtures thereof are preferably used for the metal oxide coating.
  • oxides, hydroxides and / or hydrated oxides of silicon and / or aluminum are used. Most preferred are oxides, hydroxides and / or hydrated oxides of silicon.
  • the layer thicknesses of the metal oxide layers are in the range from preferably 5 to 150 nm, preferably from 10 to 80 nm, more preferably from 1 5 to 50 nm.
  • a protective layer against corrosion a protective layer of organic polymers can also be applied.
  • Polyacrylate and / or polymethacrylate coatings have proven to be very suitable.
  • passivation layers can also be applied.
  • the mechanism of action of the passivation layers is complex. For inhibitors, it is mostly based on steric effects.
  • the inhibitors are usually in low concentrations of the order of 1 wt .-% to 1 5 wt .-%, based on the
  • the following coating substances are preferably used:
  • R alkyl, aryl, alkylaryl, aryl-alkyl and alkyl ethers, in particular ethoxylated alkyl ethers and
  • R1 may be the same or different than R2.
  • each alkyl is branched or
  • R1 may be the same or different from R2.
  • Heterocycles such as thiourea derivatives, sulfur and / or nitrogen compounds of higher ketones, aldehydes and / or alcohols
  • the passivating inhibitor layer can also consist of the aforementioned substances. Preference is given to organic phosphonic acids and / or phosphoric esters or mixtures thereof.
  • Amine compounds have these preferably organic radicals having more than 6 carbon atoms. Preference is given to the abovementioned amines together with organic phosphonic acids and / or phosphoric esters or mixtures thereof used.
  • Passivating anticorrosion coatings which ensure particularly good corrosion protection in the case of platelet-shaped metallic particles, comprise or consist of silicon oxide, preferably silicon dioxide,
  • Chromium alumina preferably by chromating, chromium oxide, zirconium oxide, cerium oxide, alumina, polymerized plastic resin (s), phosphate, phosphite or borate compounds or mixtures thereof.
  • silicon dioxide layers and chromium aluminum oxide layers Preference is given to silicon dioxide layers and chromium aluminum oxide layers (chromating). Further preferred are cerium oxide, hydroxide or
  • the SiCV layers are preferably by sol-gel method with
  • average layer thicknesses of 10-150 nm and preferably 15-40 nm in organic solvents.
  • the listed coatings can be combined, so that, for example, in a particular embodiment of the invention particles a coating of a Si0 2 layer with subsequently applied
  • the highest possible packing density of the deposited particles is equal to a layer that is as similar as possible to a closed, non-particulate layer, thus a layer that corresponds to the ideal base material.
  • a high packing density is achieved if the particles retain their shape and structure as far as possible during the coating process and are still present as individual particles, in particular in the resulting layer. Such behavior is demonstrated by the particles as described, if they are made of higher-melting metals (melting point> 500 ° C) and non-metallic
  • the coatings which can be produced by the process according to the invention on the substrate of platelet-shaped particles which are at least partially intergrown with one another can be produced without a binder between the coating and the substrate.
  • the prerequisite for the production of coatings without binder between layer and substrate is the use of
  • the device comprises a jet generator with an inlet for the supply of a flowing working gas and an outlet for a guided from the working gas plasma jet, the beam generator two connectable to an AC or a pulsed DC voltage source electrodes to form a
  • the plasma jet platelet-shaped particles can be fed.
  • the working gas of the device are supplied via the inlet ionizable gases, in particular pressurized air, nitrogen, argon, carbon dioxide or hydrogen.
  • the working gas is previously cleaned so that it is free of oil and lubricant.
  • the gas stream in a conventional jet generator is between 1 0 to 70 l / min, in particular between 1 0 to 40 l / min, at a speed of the working gas between 1 0 to 1 00 m / s, in particular between 10 to 50 m / s.
  • the beam generator further comprises two, in particular coaxially spaced apart electrodes, which are connected to an AC voltage, but in particular a pulsed DC voltage source. Between the electrodes, the discharge path is formed.
  • the pulsed DC voltage of the DC voltage source is preferably between 500 V to 12 kV.
  • the pulse frequency is between 10 to 100 kHz, but in particular between 10 to 50 kHz.
  • Electrons and the heavy ions can form. This results in a low temperature load of the injected platelet-shaped particles.
  • Coating process with the jet generator according to the invention is preferably controlled such that the plasma jet of
  • Low temperature plasma in the core zone has a gas temperature of less than
  • the platelet-shaped particles reach a region in which a direct plasma excitation takes place through the plasma jet.
  • the required reaction energy is kept as low as possible.
  • the feed opening is located immediately adjacent to the outlet for the plasma jet in the region of the discharge path.
  • the feed is below the outlet of the device, which is basically possible, it is only an indirect
  • Plasma excitation by the gas-guided plasma jet which is energetically unfavorable.
  • the method of the invention can be used to coat a variety of substrates.
  • Substrates may be, for example, metals, wood, plastics or paper.
  • the substrates can be present in the form of geometrically complex shapes, such as components or finished goods but also as a film or sheet.
  • the coatings which can be produced by the process according to the invention on the substrate of platelet-shaped particles which are at least partially intergrown with one another can be produced without a binder between the coating and the substrate.
  • a prerequisite for the production of coatings without binder between layer and substrate is the use of platelet-shaped particles of a
  • optically and electromagnetically reflecting or absorbing optically conductive, semiconducting or insulating layers, diffusion barriers for gases and liquids,
  • conductive layers can also be used as shields, as electrical contacts, as sensor surfaces and as antennas, in particular RFID (radio
  • Frequency Identification antennas
  • the coatings can be applied over a large area, so that they cover the substrate to a large extent (greater than 70% of the surface of the substrate).
  • the layers can also be applied over a small area, in particular in the form of webs or as sub-areas, which cover less than 10% of the area of the substrate.
  • a relative movement between the substrate and the beam generator during the coating is not required.
  • the layers can also be applied in the form of patterns, which are preferably adapted to the desired functionality. The generation of geometric patterns can also be done, for example, by the use of masks.
  • the apparatus comprises a jet generator with an inlet for the supply of a flowing working gas and an outlet for a plasma jet guided by the working gas, the jet generator two with an AC or a pulsed
  • the working gas of the device are supplied via the inlet ionizable gases, in particular pressurized air, nitrogen, argon, carbon dioxide or hydrogen.
  • the working gas is previously cleaned so that it is free of oil and lubricant.
  • the gas stream in a conventional jet generator is between 10 to 70 l / min, in particular between 10 to 40 l / min, at a
  • Speed of the working gas between 10 to 100 m / s, in particular between 10 to 50 m / s.
  • the jet generator further comprises two, in particular coaxially spaced electrodes arranged with an AC voltage,
  • the pulsed DC voltage of the DC voltage source is preferably between 500 V to 12 kV.
  • the pulse frequency is between 10 to 100 kHz, but in particular between 10 to 50 kHz. Due to the pulsed operation of the DC voltage source is thereof
  • Coating process with the jet generator according to the invention is preferably controlled such that the plasma jet of the low-temperature plasma in the core zone has a gas temperature of less than 900 degrees Celsius,
  • the feed opening in the region of the discharge gap between the electrodes of the jet generator, the platelet-shaped particles reach a region in which a direct plasma excitation takes place through the plasma jet.
  • the required reaction energy is kept as low as possible.
  • the feed opening is located immediately adjacent to the outlet for the plasma jet in the region of the discharge path. Is this done?
  • the feeding of the platelet-shaped particles preferably takes place by means of a carrier gas for the platelet-shaped particles.
  • the vortex chamber is listed as a closed container and at most up to a maximum level with the
  • the platelet-shaped particles are acted upon by at least one gas inlet with a pressurized carrier gas, in particular in a periodic sequence, whereby the fluidized platelet-shaped particles together with the carrier gas as a mixture over at least one above the maximum level of the vortex chamber arranged outlet from the container in the direction of the feed opening of the jet generator flow.
  • the periodic loading of the platelet-shaped particles in the vortex chamber with the carrier gas takes place at a frequency in the range from 1 Hz to 100 Hz.
  • Gas inlets with the carrier gas applied can open directly into the usually existing supply of platelet-shaped particles.
  • the gas inlet or inlets it is also possible to arrange the gas inlet or inlets above the maximum fill level of the particles in the vortex chamber so that the carrier gas strikes the surface of the particles.
  • the size-thickness ratio of a particle sample from the examples listed was determined from the evaluation of SEM images.
  • the longitudinal diameter was determined by means of Cilas 1064 and the thickness of a statistical number (at least 100) of particles and calculated the average size-thickness ratio by quotient of longitudinal diameter to thickness.
  • Separation of the aluminum powder was carried out first in a cyclone, wherein there deposited powdered Aluminiumgr imagine a D50 14-17 ⁇ possessed.
  • a multicyclone was used in succession, the pulverulent aluminum powder deposited in this having a D50 of 2.3 to 2.8 ⁇ m.
  • the gas-solid separation was carried out in a filter (Fa. Alpine, Thailand) with metal elements (Pall). Here was the finest fraction
  • platelet-shaped particles (aluminum): In a 5 L glass reactor, 300 g of a shaped aluminum powder described in Example 2 were dispersed in 1000 ml of isopropanol (VWR, Germany) by stirring with a propeller stirrer. The suspension was heated to 78 ° C. Subsequently, 5 g of a 25 wt .-% ammonia solution (VWR, Germany) were added. After a short time, a strong gas evolution was possible to be watched. Three hours after the first addition of ammonia, another 5 g of 25% by weight ammonia solution was added. After a further three hours, 5 g of 25% by weight ammonia solution were again added. The suspension was further stirred overnight.
  • VWR isopropanol
  • Example 4 Preparation of non-metallic platelet-shaped particles (aluminum oxide) by temperature treatment of non-metallic
  • platelet-shaped particles (aluminum hydroxide).
  • Material Difference to the uncalcined. Material is the particle diameter slightly larger and the zeta potential in the entire pH range positive.
  • the XRD analysis shows theta-AI203.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 2 is an enlarged view of the beam generator of Figure 1 in
  • the first electrode 4 is designed as a pin electrode, while the spaced second
  • Electrode 5 is formed as an annular electrode. The distance between the tip of the pin electrode 4 and the ring electrode 5 forms a discharge path 16.
  • a jacket 7 of electrically conductive material is arranged concentrically to the pin electrode 4 and insulated from the pin electrode 4.
  • the annular electrode 5, opposite end face of the jet generator 1, the working gas 3 is supplied via an inlet 21.
  • the inlet 21 is located on a frontally placed on the hollow cylindrical jacket 7, the pin electrode 4-holding sleeve 22 of electrically insulating material.
  • a feed opening 9 Immediately adjacent to the extending in the axial direction of the jet generator 1 outlet 8 is transverse to the longitudinal extent of a feed opening 9, via which the plasma jet 2 platelet-shaped particles 10 are fed.
  • the feed opening 9 of the jet generator 1 is connected for this purpose via a line 12 with a vortex chamber 1 1, are stored in the platelet-shaped particles 10.
  • the vortex chamber 1 1 is filled at most up to a maximum level 13 with the platelet-shaped particles 10. Below the maximum level 13 opens in the vortex chamber 1 1, an inlet 23 for a carrier gas 14 under a
  • the particles 10 are fluidized in the space above the maximum level 20 and reach via an outlet 15, the conduit 12 and the feed opening 9 in the discharge path 16 of the jet generator. 1
  • Voltage source 6 increases, during each pulse, the voltage applied between the electrodes 4, 5, to between the electrodes 4, 5, the ignition voltage for the formation of an arc between the electrodes 4, 5 is applied. Due to the conductive shell 7, it also leads to discharges in the direction of the inner
  • Electrodes 4, 5 conductive.
  • the voltage source 6 is preferably designed such that it generates a voltage pulse with an ignition voltage for the arc discharge and a pulse frequency which causes the arc to extinguish between two consecutive voltage pulses. As a result, there is a pulsed gas discharge in the plasma jet 2.
  • the pulse frequency is preferably in a range between 10 kHz to 100 kHz, in the illustrated embodiment at 50 kHz.
  • the voltage of the voltage source 6 is a maximum of 12 kV. As working gas 3 compressed air is used, with 40 l / min are supplied in the normal operating condition.
  • Embodiment not only a punctiform coating on the substrate 20 is to be generated, it is in an embodiment of the invention the possibility that the plasma jet 2 and the substrate 20, during the application of the
  • Relative movement can be effected by moving the substrate 20, for example on a movable table in the horizontal plane.
  • the beam generator 1 is arranged on an XY moving unit that is movable at least in a plane parallel to the substrate 20, so that the generator can be moved relative to the substrate at a defined speed.
  • Relative movement can be webs or even full-surface coatings of the substrate 20 produce.

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Abstract

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat (20) offenbart. Bei dem durch Hindurchleiten eines Arbeitsgases (3) durch eine Anregungszone wird ein Plasmastrahl (2) eines Niedertemperaturplasmas erzeugt. Der Plasmastrahl wird auf das Substrat (20) gerichtet und in den Plasmastrahl (2) werden plättchenförmige Partikel (10) mit einer mittleren Dicke (H) zwischen 10 und 50.000 Nanometer und einem Formfaktor (F) in dem Wertebereich von 10 bis 2000 eingespeist. Die Einspeisung in den Plasmastrahl (2) erfolgt mit Hilfe eines Trägergases (14). Der Plasmastrahl (2) wird durch Anregung des Arbeitsgases (3) mittels einer Wechselspannung oder einer gepulsten Gleichspannung erzeugt.

Description

BESCHICHTUNG SOWIE VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM
BESCHICHTEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat, bei dem bzw. bei der durch Hindurchleiten eines Arbeitsgases durch eine Anregungszone ein Plasmastrahl eines
Niedertemperaturplasmas erzeugt wird.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Beschichtung auf einem Substrat aus wenigstens teilweise miteinander verwachsenen plättchenförmigen Partikeln sowie die Verwendung von plättchenförmigen Partikeln.
Die Erzeugung von Schichten auf Substraten ist seit langem bekannt und von hohem wirtschaftlichen Interesse. Es wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren eingesetzt, die teilweise verfahrenstechnisch reduzierten Druck, sehr hohe Gasgeschwindigkeiten oder hohe Temperaturen bedingen.
Ein bekanntes Verfahren ist das Plasmaspritzen, bei dem ein durch einen
Lichtbogen eines Plasmabrenners strömendes Gas oder Gasgemisch ionisiert wird. Bei der Ionisation wird ein hoch aufgeheiztes, elektrisch leitendes Gas mit einer Temperatur von bis zu 20.000 K erzeugt. In diesen Plasmastrahl wird Pulver, üblicherweise in einer Kornverteilung zwischen 5 bis 120 μιη eingedüst, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrahl reißt die Pulverpartikel mit und bringt sie auf das zu beschichtende Substrat auf. Die Plasmabeschichtung im Wege des Plasmaspritzens kann unter normaler
Atmosphäre erfolgen. Die hohen Gastemperaturen von über Ι Ο.ΟΟΟΌ sind erforderlich, um das Pulver aufzuschmelzen und somit als Schicht abscheiden zu können. Demnach ist das Plasmaspritzen energetisch sehr aufwendig, wodurch eine kostengünstige
Beschichtung von Substraten oftmals nicht möglich ist. Zudem müssen zur Erzeugung der hohen Temperaturen aufwendige Apparate verwendet werden. Aufgrund der hohen Temperaturen können temperaturempfindliche und/oder sehr dünne Substrate, wie Polymerfolien und/oder Papier, nicht beschichtet werden. Durch die hohe thermische Energie kommt es bei derartigen Substraten zu
Beschädigungen. Teilweise sind aufwendige Vorbehandlungsschritte notwendig, um eine ausreichende Haftung der abgeschiedenen Schichten auf der Oberfläche zu gewährleisten. Nachteilig ist außerdem, dass es beim Plasmaspritzen zu einer hohen thermischen Belastung der verwendeten Partikel kommt, wodurch diese, insbesondere bei der Verwendung von metallischen Partikeln, zumindest teilweise oxidieren können. Dies ist im Besonderen nachteilig, wenn metallische Schichten abgeschieden werden sollen, die zum Beispiel für Leiterbahnen oder als
Korrosionsschutz verwendet werden sollen. Aus diesen Gründen wurden Verfahren entwickelt, welche ein so genanntes atmosphärisches kaltes Plasma, auch als Niedertemperaturplasma bezeichnet, nutzen, um Schichten auf Substraten zu erzeugen. Bei den Verfahren wird über dem Fachmann bekannte Verfahren ein kalter Plasmastrahl bei atmosphärischen Bedingungen erzeugt und in den Plasmastrahl ein Pulver eingebracht, welches anschließend auf dem Substrat abgeschieden wird.
Aus der EP 1 230 414 B1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat bekannt, bei dem durch Hindurchleiten des
Arbeitsgases durch eine Anregungszone ein Plasmastrahl eines
Niedertemperaturplasmas unter atmosphärischen Bedingungen erzeugt wird. In den Plasmastrahl wird getrennt von dem Arbeitsgas ein aus monomeren Verbindungen bestehendes Precursormaterial eingespeist. Bei empfindlichen Precursormaterialien kann die Einspeisung in den verhältnismäßig kühlen Plasmastrahl stromabwärts der Anregungszone erfolgen. Hierdurch ist eine Beschichtung des Substrates mit Precursormaterialien, die nur bei Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius oder weniger stabil sind, möglich. Nachteilig an diesem Verfahren ist es, dass monomere Verbindungen als
Precursormaterial in ein Plasma eingespeist und dort zur Reaktion gebracht werden, wodurch nur relativ niedrige Abscheideraten von 300 - 400 nm/sec erreichbar sind. Diese sind gegenüber den Abscheideraten, die in entsprechenden Verfahren mit pulverförmigen Ausgangsmaterialien erreicht werden, sogar bei der Verwendung von Partikeln, die in einer Größenordnung von 100 μιη vorliegen, um den Faktor 10-1000 niedriger. Demnach ist eine wirtschaftliche
Beschichtung im industriellen Maßstab mit diesem Verfahren nicht möglich.
Aus der EP 1 675 971 B1 ist ein weiteres Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche unter Verwendung eines Plasmastrahls eines
Niedertemperaturplasmas bekannt, dem ein feinkörniges, die Beschichtung bildendes Pulver in einer Größe von 0,001 - 100 μιη mittels eines Pulverförderers zugeführt wird. Abweichend von den thermischen Plasmen erreicht die Temperatur eines Niedertemperaturplasmas im Kern des Plasmastrahls bei Umgebungsdruck weniger als 900 Grad Celsius. Für thermische Plasmen werden in der EP 1 675 971 B1 indes Temperaturen im Kern des auftretenden Plasmastrahls von bis zu 20.000 Grad Celsius angegeben.
Nachteilig ist, dass Pulver aus Materialien mit höheren Schmelzpunkten, z.B. keramische Materialien oder hochschmelzende Metalle, nicht im Prozess aufgeschmolzen werden können. Die Geschwindigkeit des Plasmastrahls ist so hoch, das die Aufenthaltszeit der kleinen Partikel des Pulvers in den heißen Zonen des Plasmas nicht ausreicht, um eine vollständige Durchschmelzung der Partikel zu erreichen. Bei Materialien mit erhöhter Schmelztemperatur (z.B. Ag, Cu, Ni, Fe, Ti, W) kommt es daher allenfalls an der Partikeloberfläche zur Aufschmelzungen und es bildet sich eine poröse Schicht in der die Partikel nahezu in ihrer
Ausgangsdimension aneinander haften. Das Verfahren eignet sich daher in erster Linie zum Beschichten von Substraten mit niedrig schmelzenden Metallen wie Zinn und Zink.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat zu schaffen, bei dem die benötigte Reaktionsenergie, insbesondere zum Aufschmelzen, Aufbrechen von Atom- oder Molekülverbänden, Deagglomerieren und Atomisieren von
Beschichtungsmaterialien reduziert wird, so dass eine einwandfreie Beschichtung insbesondere auch mit Beschichtungsmaterialien mit höheren
Schmelztemperaturen möglich ist. Ferner soll eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine durch das Verfahren herstellbare
Beschichtung angegeben werden.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangserwähnten Art dadurch gelöst, dass in den auf das Substrat gerichteten Plasmastrahl plättchenförmige Partikel mit einer mittleren Dicke H zwischen 10 und 50.000 Nanometer und einem Formfaktor F in dem Wertebereich von 10 bis 2000 eingespeist werden.
Die plättchenförmigen Partikel weisen unabhängig vom Material vorzugsweise eine mittlere Dicke H zwischen 50 - 5.000 nm, besonders bevorzugt zwischen 100 - 2.000 nm auf. Die Bestimmung der exakten mittleren Dicke H der 10 plättchenförmigen Partikel erfolgt über den Wasserbedeckungsgrad (Spreitung nach DIN 55923) und/oder durch eine Rasterelektronenmikroskopie (REM).
Unterhalb einer mittleren Dicke H der plättchenförmigen Partikel von 10 nm ist eine einwandfreie Abscheidung von Partikeln mittels des Plasmastrahls nicht mehr gewährleistet. Sofern deckende Beschichtungen angestrebt werden, vermindert sich aufgrund der zunehmenden Transparenz der derart dünnen plättchenförmigen Partikel die Deckkraft der Beschichtung. Der Formfaktor ist definiert als das Verhältnis der mittleren Längenausdehnung D zur mittleren Dicke H der plättchenförmigen Partikel. Werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren plättchenförmiger Partikel mit einer mittleren Dicke H von 10 nm und einem
Formfaktor 10 eingesetzt, weisen die Partikel einen Wert für die mittlere
Längenausdehnung D von 0,1 μιη auf. Werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren plättchenförmiger Partikel mit einer mittleren Dicke H von 50.000 nm und einem Formfaktor 10 eingesetzt, weisen die Partikel einen Wert für die mittlere Längenausdehnung D von 500 μιη auf. Die angestrebte mittlere Längenausdehnung der Partikel hängt stark von dem jeweiligen
Beschichtungszweck ab. Über einen hohen Formfaktor bei gleichzeitig möglichst geringer mittlerer Dicke H lässt sich eine bessere Orientierung der auf dem Substrat abgeschiedenen plättchenförmigen Partikel gewährleisten. Dies ist insbesondere bei Farbbeschichtungen von Oberflächen von Interesse.
Die Einspeisung der plättchenförmigen Partikel in den Plasmastrahl, insbesondere über die unmittelbar benachbart zu dem Auslass für den Plasmastrahl angeordnete Einspeise-Öffnung eines Strahlgenerators, braucht nicht notwendigerweise im gasförmigen Zustand zu erfolgen, sondern kann auch im flüssigen oder festen Zustand durchgeführt werden Besonders vorteilhaft erfolgt die Einspeisung der plättchenförmigen Partikel jedoch mittels eines Trägergases für die
plättchenförmigen Partikel. Zur Erzeugung des Gemisches aus den
plättchenförmigen Partikeln und dem Trägergas ist die Einspeiseöffnung des Strahlgenerators über eine Leitung mit einer Wirbelkammer verbunden. Die Wirbelkammer ist als geschlossener Behälter aufgeführt und höchstens bis zu einem maximalen Füllstand mit den plättchenförmigen Partikeln befüllt. Die plättchenförmigen Partikel werden über mindestens einen Gaseinlass mit einem unter Überdruck stehenden Trägergas, insbesondere in einer periodischen Folge beaufschlagt, wodurch die aufgewirbelten plättchenförmigen Partikel zusammen mit dem Trägergas als Gemisch über mindestens einen oberhalb des maximalen Füllstandes der Wirbelkammer angeordneten Auslass aus dem Behälter in
Richtung der Einspeiseöffnung des Strahlgenerators strömen. Die periodische Beaufschlagung der plättchenförmigen Partikel in der Wirbelkammer mit dem Trägergas erfolgt mit einer Frequenz im Bereich von 1 Hz bis 100 Hz. Insbesondere werden die Partikel zeitlich aufeinander folgend über mehrere Gaseinlässe mit dem Trägergas beaufschlagt. Der bzw. die Gaseinlässe können unmittelbar in dem üblicherweise vorhandenen Vorrat plättchenförmiger Partikel münden. Neben dieser bevorzugten unmittelbaren Einblasung des Trägergases in die Partikel ist es jedoch auch möglich, den bzw. die Gaseinlässe oberhalb des maximalen Füllstandes der Partikel in der Wirbelkammer anzuordnen, so dass das Trägergas auf die Oberfläche der Partikel trifft.
Der Plasmastrahl wird unter einem Druck in einem Druckbereich von 0,5 - 1 ,5 bar erzeugt, vorzugsweise jedoch unter den Bedingungen des Umgebungsdrucks. Man spricht auch von einem atmosphärischen Plasma. Völlig überraschend zeigte sich, dass bei der Verwendung von plättchenförmigen Partikeln Schichten mit herausragenden Eigenschaften auch mit Metallen mit höherem Schmelzpunkt und Nicht-Metallen erzeugbar sind. Die höhere spezifische Oberfläche von plättchenförmigen Partikeln im Vergleich zu sphärischen Partikeln ist vermutlich für die sehr guten Eigenschaften verantwortlich.
Mit spezifischer Oberfläche wird dabei die auf die Masse bezogene äußere Oberfläche bezeichnet, die die Oberfläche pro Kilogramm der
plättchenförmigen Partikel beschreibt und wie folgt definiert ist:
Oberfläche m2
M ~
Masse kg Für eine ideale Kugel mit dem Partikeldurchmesser dp ergibt sich
demnach für die spezifische Oberfläche m2
dp x p kg
Es ist in der Literatur bekannt, dass sich Nanopartikel durch einen reduzierten Schmelzpunkt gegenüber dem Makromaterial auszeichnen. Solche Nanopartikel haben im Verhältnis zu ihrem Volumen eine sehr große Oberfläche. Das heißt, dass bei ihnen weit mehr Atome an der Oberfläche liegen als bei größeren Partikeln. Da Atome an der Oberfläche weniger Bindungspartner zur Verfügung stehen, als Atomen im Kern des Partikels, sind solche Atome sehr reaktiv. Aus diesem Grund können sie mit Partikeln in ihrer nächsten Umgebung wesentlich stärker in Wechselwirkung treten, als dies bei Makropartikeln der Fall ist. Die in der Erfindung verwendeten plättchenförmigen Partikel weisen im Vergleich zu massengleichen sphärischen Partikeln eine deutlich erhöhte Oberfläche auf. Die Oberfläche eines kugelförmigen Partikels mit einem Radius von 1 μιη ist gegenüber einem
massegleichen plättchenförmigen Partikel mit einer Dicke von 0,01 μιη um den Faktor 30 größer. Da im Wesentlichen die Oberfläche der Partikel mit dem Plasma reagiert, wird derzeit angenommen, dass sich durch diese vergrößerte Oberfläche ein deutlich besseres Aufschmelzverhalten der Partikel ergibt.
Dadurch können auch höher schmelzende Metalle und keramische Partikel mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in atmosphärischen Niedertemperatur-Plasmen mit niedriger Energie geschmolzen und auf Oberflächen als Schicht abgeschieden werden.
Die vergrößerte Oberfläche der plättchenförmigen Partikel verbessert die Bindung zwischen den abgeschiedenen Partikeln untereinander sowie zwischen den Partikeln und dem Substrat.
Ein weiterer Vorteil der plättchenförmigen Partikel besteht darin, dass deren spezifisch größere Oberfläche gegenüber massengleichen sphärischen Partikeln das zu beschichtende Substrat effizienter abdeckt. Insbesondere bei deckenden Beschichtungen lässt sich daher das Beschichtungsverfahren mit weniger
Beschichtungsmaterial durchführen.
Die Verwendung plättchenförmiger Partikel erhöht darüber hinaus die
Prozesssicherheit, in dem die bei sehr feinen sphärischen Partikeln auftretende Explosionsgefahr gemindert wird. Aus der Plättchenform der Partikel resultiert darüber hinaus eine bessere Förderfähigkeit der Partikel in dem Plasmastrahl. Unterhalb einer mittleren Dicke H der plättchenförmigen Partikel von 10 nm ist eine einwandfreie Abscheidung von Partikeln mittels des Plasmastrahls nicht mehr gewährleistet. Sofern deckende Beschichtungen angestrebt werden, vermindert sich aufgrund der zunehmenden Transparenz der derart dünnen plättchenförmigen Partikel die Deckkraft der Beschichtung.
Der Formfaktor ist definiert als das Verhältnis der mittleren Längenausdehnung D zur mittleren Dicke H der plättchenförmigen Partikel. Werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren plättchenförmiger Partikel mit einer mittleren Dicke H von 10 nm und einem Formfaktor 10 eingesetzt, weisen die Partikel einen Wert für die mittlere Längenausdehnung D von 0,1 μιη auf. Werden in dem erfindungsgemäßen
Verfahren plättchenförmige Partikel mit einer mittleren Dicke H von 50.000 nm und einem Formfaktor 10 eingesetzt, weisen die Partikel einen Wert für die mittlere Längenausdehnung D von 500 μιη auf. Die angestrebte mittlere Längenausdehnung der Partikel hängt stark von dem jeweiligen Beschichtungszweck ab_ Über einen hohen Formfaktor bei gleichzeitig möglichst geringer mittlerer Dicke H lässt sich eine bessere Orientierung der auf dem Substrat abgeschiedenen plättchenförmigen Partikel gewährleisten. Dies ist insbesondere bei Farbbeschichtungen von Oberflächen von Interesse. Die Dickenverteilung stellt einen wichtigen Parameter zur Charakterisierung von erfindungsgemäßen plättchenförmigen Partikeln dar. Zur Bestimmung der
Dickenverteilung existieren im Stand der Technik keine Messgeräte die diesen Wert einfach ermitteln können. Eine Bestimmung erfolgt daher standardmäßig durch die Bestimmung der Dicke einer statistisch ausreichend großen Anzahl
plättchenförmiger Partikel mit einem REM - (Rasterelektronen Mikroskop);
üblicherweise werden etwa 50 bis 100 Partikel vermessen. Dazu werden die Partikel beispielsweise in einem Lack dispergiert und dieser anschließend auf eine Folie appliziert. Die mit dem plättchenförmige Partikel enthaltenden Lack
beschichtete Folie wird anschließend mit einem geeigneten Werkzeug geschnitten, so dass der Schnitt durch den Lack verläuft. Anschließend wird die präparierte Folie so in das REM eingebracht, dass die Beobachtungsrichtung senkrecht auf die Schnittfläche gerichtet ist. Auf diese Weise werden die Partikel zu ihrem großen Teil von der Seite betrachtet, so dass ihre Dicke einfach bestimmt werden kann» Die Bestimmung erfolgt dabei standardmäßig über die Markierung der entsprechenden Begrenzungen mittels eines geeigneten Werkzeugs wie die den REM-Geräten vom Hersteller standardmäßig beigelegten Software Pakete. Beispielsweise kann die Bestimmung mittels eines REM Gerätes der Leo Serie des Herstellers Zeiss (Deutschland) und der Software Axiovision 4.6 (Zeiss, Deutschland) erfolgen. Die Dickenverteilung der plättchenförmigen Partikel ist nicht homogen. Die
Dickenverteilung wird zweckmäßiger Weise in Form einer Summendurchgangskurve dargestellt. Als Mittelwert bietet sich der hso-Wert der
Dickensummendurchgangskurve an. Er besagt, dass 50 % aller Partikel eine Dicke gleich diesem Wert und/oder unterhalb dieses Wertes besitzen.
Alternativ kann die Dickenverteilung auch mit dem Hi0 oder H90 Wert beschrieben werden.
Die plättchenförmigen Partikel werden vorzugsweise mit Hilfe eines
Trägergases in den Plasmastrahl eingespeist. Die Einspeisung der
plättchenförmigen Partikel in den Plasmastrahl muss jedoch nicht zwingend im gasförmigen Zustand erfolgen, sondern kann auch im flüssigen oder festen Zustand. Der Volumenstrom des Trägergases liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 l/min bis 1 5 l/min und der Druck in einem Bereich zwischen 0,5 bar bis 2 bar.
Ein homogenes Einspeisen der plättchenförmigen Partikel in eine Kernzone des Plasmastrahls mit einer Gastemperatur von weniger als 900 Grad Celsius erfolgt vorzugsweise quer zur Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls.
Solche plättchenförmigen Partikel können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden. Je nachdem, ob es sich um metallische oder nicht-metallische Materialien, wie beispielsweise keramische oder oxidische Materialien handelt, können unterschiedliche Verfahren zur Herstellung eingesetzt werden Die Herstellung metallischer plättchenförmiger Partikel erfolgt vorzugsweise durch mechanische Verformung von Pulvern, insbesondere Metallpulvern. Die mechanische Verformung erfolgt üblicherweise in Mühlen, insbesondere in
Rührwerkskugelmühlen, Kollermühlen, Trommelkugelmühlen,
Drehrohrkugelmühlen, etc. Die mechanische Verformung erfolgt in der Regel durch Nassvermahlung, d.h. durch Vermahlung des Pulvers zusammen mit Lösemittel, insbesondere organischem Lösemittel wie Testbenzin, und in Gegenwart von Schmiermitteln bzw. Netz- und/oder Dispergieradditiven wie z.B. Ölsäure, Stearinsäure etc.. Die Vermahlung erfolgt in Gegenwart von Mahlkörpern, üblicherweise von Mahlkugeln, wobei der Kugeldurchmesser üblicherweise in einem Bereich von 0,1 bis 10 mm, bevorzugt von 0,2 bis 4,0 mm, liegt. Die Mahlkörper sind in der Regel aus Keramik, Glas oder Metall, wie z.B. Stahl. Vorzugsweise werden als Mahlkörper Stahlkugeln verwendet. Eine solche Verformung ist beispielsweise in der DE 10 2007 062 942 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit unter Bezugnahme aufgenommen ist.
Um erfindungsgemäße metallische plättchenförmige Partikel zu erhalten, wird vorzugsweise das eingesetzte Pulver größenklassiert und dieses sodann unter Erhalt von plättchenförmigen Partikeln in einer Größenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 0,5 bis 200 μιη mechanisch verformt. Die Klassierung kann beispielsweise mit Windsichtern, Zyklonen, Sieben und/oder anderen bekannten Einrichtungen durchgeführt werden.
Bei dieser Methode können die Metallpartikel in Form einer Dispersion von Partikeln vermessen werden. Die Streuung des eingestrahlten Laserlichtes wird in
verschiedenen Raumrichtungen erfasst und gemäß der Fraunhofer
Beugungstheorie mittels der in Verbindung mit dem CILAS-Gerät gemäß
Herstellerangaben ausgewertet. Dabei werden die Partikel rechnerisch als Kugeln behandelt. Somit beziehen sich die ermittelten Durchmesser stets auf den über alle Raumrichtungen gemittelte Äquivalentkugeldurchmesser, unabhängig von der tatsächlichen Form der Metallpartikel. Es wird die Größenverteilung ermittelt, die in Form eines Volumenmittels (bezogen auf den Äquivalentkugeldurchmesser) berechnet wird. Diese volumengemittelte Größenverteilung kann u.a. als
Summendurchgangskurve dargestellt werden. Die Summendurchgangskurve wiederum wird meist vereinfachend durch bestimmte Kennwerte charakterisiert, z. B. den D50- oder D90-Wert. Unter einem D90-Wert wird verstanden, dass 90% aller Partikel unter dem angegebenen Wert liegen. Anders ausgedrückt, liegen 10% aller Partikel oberhalb des angegebenen Wertes. Bei einem D50-Wert liegen 50% aller Partikel unter und 50% aller Partikel oberhalb des angegebenen Wertes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Pulver, zunächst vermählen und sodann größenklassiert werden, um die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Partikel mit einer Größenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 1 bis 150 μιη zu erhalten. Nach einer weiter bevorzugten Ausführungsform beträgt die Größenverteilung zwischen 1 ,5 μιη und 100 μιη. Nach einer sehr bevorzugten Ausführungsform beträgt sie zwischen 2 μιη und 50 μιη.
Der Reinheitsgrad der Metalle beträgt dabei vorzugsweise mehr als 70 Gew.-%, weiter bevorzugt mehr als 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mehr als 95 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Metalls, der Legierung oder
Mischung. Zur Herstellung der plättchenförmigen Partikel kann das Metall, die Metallmischung oder Metalllegierung beispielsweise unter Wärme geschmolzen und anschließend durch Verdüsung oder durch Aufbringung auf rotierende Bauteile zu einem Pulver umgewandelt werden. Derart erzeugte metallische Pulver weisen beispielsweise eine Partikelgrößenverteilung mit einer mittleren Größe (D50- Wert) im Bereich von 1 bis 1 00 μιη, bevorzugt von 2 bis 80 μιη auf.
Sollen nicht-metallische Schichten auf Substraten aufgebracht werden, werden vorzugsweise nicht-metallische plättchenförmige Partikel im
Beschichtungsvorgang eingesetzt. Hierbei können völlig oxidierte oder auch nur partiell oxidierte z.B. lediglich Oberflächenoxidierte Edukte zum Einsatz kommen. Solche können durch gezielte Oxidation von metallischen plättchenförmigen Partikeln erzeugt werden. Diese Oxidation kann durch alle dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt werden. Eine weitere Oxidation ist insbesondere in sauerstoffhaltigen Plasmen möglich und -je nach Höhe der Energieeinkopplung und nach Beschichtungsmaterial- die Regel. Durch Einstellung des Sauerstoffgehaltes im Arbeitsgas kann eine Oxidation ggf. gesteuert werden.
Die metallischen Partikel können durch Gasphasenoxidation und/oder durch Flüssigphasenoxidation oxidiert werden. Bevorzugt wird die Oxidation in einer Flüssigkeit oder durch Verbrennung in einem Gasstrom durchgeführt.
Wenn die Oxidation in einer Flüssigphase oder Flüssigkeit durchgeführt wird, geschieht dies bevorzugt, indem das Pulver zunächst in der Flüssigphase oder Flüssigkeit verteilt wird. Dies kann mit oder ohne Zugabe von Hilfsstoffen und mit oder ohne Eintrag von Energie erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Dispergierung ohne Zugabe von Hilfsstoffen und unter Rühren. Die Flüssigkeit kann eine inerte
Flüssigkeit sein, die nicht oxidierend wirkt, oder eine reaktive Flüssigkeit sein, die oxidierend wirkt und mit den metallischen Partikeln reagiert. Nach der
Dispergierung setzt demnach die Oxidation entweder sofort ein oder wird durch die Zugabe eines Oxidationsmittels und/oder Oxidationskatalysators und/oder durch Temperaturerhöhung gestartet.
Wenn die Flüssigkeit reaktiv ist und mit dem Metall reagiert, kann die Oxidation auch bereits während der Dispergierung beginnen. Ob die Oxidationsreaktion unmittelbar einsetzt, ist jeweils von der gewählten Kombination Flüssigkeit/ metallisches Pulver und ggf. Katalysatorpräsenz abhängig. Bevorzugt wird die Oxidation durch Zugabe eines Oxidationsmittels und/oder Oxidationskatalysators gestartet. Vorzugsweise wird zur Beschleunigung der Oxidationsreaktion das Reaktionsgemisch während der Oxidation erwärmt. Beispiele für Oxidationsmittel sind Schwefelsäure, Kaliumpermanganat, Wasserstoffperoxid und weitere dem Fachmann bekannte Oxidationsmittel. Beispiele für Oxidationskatalysatoren sind Metalle, Metallsalze, Säuren und Basen. Insbesondere bei der Zugabe von Säuren und Basen erfolgt die Zugabe bevorzugt so, dass ein für die Oxidationsreaktion geeigneter pH Wert in der Reaktionsmischung eingestellt wird. Nachdem die Reaktion gestartet ist, wird sie vorzugsweise solange aufrecht erhalten, bis das Metall zu wenigstens 90 Gew.-%, weiter bevorzugt zu wenigstens 95 Gew.-%, noch weiter bevorzugt zu wenigstens 99 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der metallischen Partikel, in einer Oxidationsstufe ungleich null vorliegt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen Partikel nach der Oxidationsbehandlung vollständig als Metalloxid vor. Der Metalloxidanteil kann mit dem Fachmann bekannten Verfahren experimentell ermittelt werden. Während der Oxidationsreaktion kann die Temperatur erhöht, abgesenkt oder konstant gehalten werden. Zudem kann eine weitere Zugabe von einem oder mehreren Oxidationsmitteln und/oder Oxidationskatalysatoren erfolgen, wodurch der Oxidationsprozess gesteuert werden kann. Während der Oxidation können, gegebenenfalls unter Zugabe weiterer Reaktionskomponenten, auch zusätzliche chemische Reaktionen ausgelöst und/oder weitere
Komponenten, beispielsweise Metalle oder Metalloxide, in die entstehenden metalloxidischen Partikel eingebaut werden, beispielsweise als Dotierung. Durch die Wahl dieser Reaktionsparameter können die chemischen und physikalischen Eigenschaften der metalloxidischen Partikel, deren Größe sowie deren Morphologie gezielt eingestellt werden. Bevorzugt werden die
Reaktionsparameter so eingestellt, dass das Oxidationsprodukt Eigenschaften aufweist, welche die anschließende Beschichtung von Substraten durch
Einbringung der Partikel in ein Plasma erleichtern und/oder für eine angestrebte Anwendung vorteilhaft sind.
Bevorzugte chemische Reaktionen, welche zur Oxidation des metallischen Pulvers führen, sind:
2AI + 4H2O -> 2AIOOH + 3H2 2Fe + 2H2O -> 2Fe(OH) + H2
2Zn + H2O -> ZnO + H2
2Cu + H2O -> Cu2O + H2
Diese Oxidationsreaktionen sind zur Veranschaulichung als Beispiele angegeben. Der genaue chemische Reaktionsmechanismus ist häufig nur schwer zu ermitteln. Weitere mögliche Reaktionsmechanismen der Oxidation von Metallen sind z.B. in der Literatur, wie z.B. in Hollemann, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, de Gruyter Verlag, 1995 beschrieben.
Nach der Oxidation können die metalloxidischen Partikel von der Flüssigkeit, in der die Oxidation durchgeführt wurde, abgetrennt werden. Die Abtrennung kann erfolgen, in dem die Flüssigkeit aus der Reaktionsmischung direkt entfernt wird. Dies kann durch dem Fachmann bekannte Verfahren wie thermisches Trocknen, bevorzugt in einer Atmosphäre mit reduziertem Druck, erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Abtrennung der Flüssigkeit, nachdem eine erste Konzentrierung des Feststoffes durch einen einfachen Prozess, insbesondere durch eine Filtration erfolgt ist.
Im Anschluss an die Abtrennung können die Metalloxidpartikel optional einem Tempern, d.h. einer zusätzlichen Temperaturbehandlung zugeführt werden. Durch das Tempern bzw. diese Temperaturbehandlung können insbesondere die chemische Zusammensetzung und/oder die Kristallstruktur der zuvor
metalloxidischen Partikel verändert werden. Die Temperaturen einer solchen Temperaturbehandlung liegen typischerweise oberhalb von 200 °C, jedoch unterhalb der Schmelz- oder Zersetzungstemperatur. Die Dauer beträgt typischerweise wenige Minuten bis einige Stunden. Beispielsweise kann durch eine Temperaturbehandlung Aluminiumhydroxid, welches durch Umsetzung von Aluminiummetallpulver in Wasser hergestellt wurde, durch Erhitzen auf
Temperaturen von mehr als 400 °C unter Abspaltung von Wasser zum
Aluminiumoxid umgewandelt werden. Bei weiterer Temperaturbehandlung im Bereich zwischen 800 <Ό und 1300 <Ό kann die Kristallstruktur des
Aluminiumoxides gezielt eingestellt werden. So wandelt sich beispielsweise v- AI2O3 bei Erhitzung auf Temperaturen größer 800 °C in oc-AI2O3 um.
Neben der Umwandlung metallischer Partikel in nicht-metallische Partikel können nicht-metallische plättchenförmige Partikel auch direkt hergestellt werden.
Beispielsweise können plättchenförmige Partikel aus kristallinen, teilkristallinen oder amorphen Materialein hergestellt werden. Beispielsweise werden Glasplättchen hergestellt, in dem ein Strahl einer Glasschmelze auf ein rotierendes, becher- oder tassenförmiges Gefäß gegossen wird. Durch die Rotation des Gefäßes wird die Glasschmelze aus dem Gefäß in Form einer dünnen Lamelle verschleudert. Dabei erstarrt die Schmelze, wodurch sich plättchenförmige Partikel aus Glas bilden.
Weiterhin können nicht-metallische plättchenförmige Partikel durch mechanische Delaminierung von Schichtmaterialien, wie z.B. Schichtsilikaten, erzeugt werden. Die plättchenförmigen Partikel können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Im Falle metallischer Partikel können diese beispielsweise aus Aluminium, Zink, Zinn, Titan, Eisen, Kupfer, Silber, Gold, Wolfram, Nickel, Blei, Platin, Silizium, weiteren Legierungen oder Mischungen davon bestehen. Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Aluminium, Kupfer, Zink und Zinn oder Legierungen oder Mischungen davon besonders bevorzugt. Im Falle nichtmetallischer Partikel können diese beispielsweise aus Oxiden oder Hydroxiden der bereits benannten Metalle oder anderer Metalle bestehen, weiterhin können die Partikel aus Glas, Schichtsilikaten wie Glimmer oder Bentoniten bestehen. Zudem können die Partikel aus Carbiden, Silikaten und Sulfaten bestehen. Die Gewinnung und Aufbereitung für das Verfahren geeigneter Partikel kann auch auf anderen Wegen (z.B. künstlich mittels Kristallisation, Ziehen, etc.- s. Züchtungsmethoden, oder mithilfe konventionellem Schürfens und Flotieren u.a.) erfolgen. Bei den Partikeln kann es sich auch um organische und anorganische Salze handeln. Weiterhin können die Partikel aus reinen oder gemischten Homo-, Co-, Block- oder Pre-Polymeren bzw. Kunststoffen oder deren Mischungen bestehen, aber auch organische Rein- oder Misch-Kristalle oder amorphe Phasen sein.
Die Partikel können auch aus Mischungen von mindestens zwei Materialien bestehen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die plättchenförmigen Partikel wenigstens eine, vorzugsweise umhüllende Beschichtung auf. Bei der wenigstens einfachen Beschichtung kann es sich beispielsweise um eine Schutzschicht gegen Korrosion, die auch als Korrosionsschutzschicht bezeichnet wird, handeln.
Die erfindungsgemäßen plättchenförmigen Partikel können beispielsweise mit wenigstens einer Metalloxidschicht versehen sein. Die Beschichtung mit
Metalloxiden, Metallhydroxiden und/oder Metalloxidhydraten erfolgt vorzugsweise durch Ausfällung, durch Sol-Gel-Verfahren oder durch nasschemische Oxidation der Partikeloberfläche. Bevorzugt werden für die Metalloxidbeschichtung Oxide, Hydroxide und/oder Oxidhydrate von Silizium, Aluminium, Cer, Zirkonium, Yttrium, Chrom und/oder Mischungen/Beimengungen davon verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden Oxide, Hydroxide und/oder Oxidhydrate von Silizium und/oder Aluminium verwendet. Äußerst bevorzugt sind Oxide, Hydroxide und/oder Oxidhydrate von Silizium.
Die Schichtdicken der Metalloxidschichten, insbesondere von Siliziumoxid und/oder Aluminiumoxidschichten liegen im Bereich von vorzugsweise 5 bis 150 nm, bevorzugt von 10 bis 80 nm, weiter bevorzugt von 1 5 bis 50 nm.
Als Schutzschicht gegenüber Korrosion kann auch eine Schutzschicht aus organischen Polymeren aufgebracht sein. Als sehr geeignet haben sich Polyacrylat und/oder Polymethacrylat-Beschichtungen erwiesen.
Selbstverständlich können auch Kunstharzbeschichtungen bestehend aus z.B. Epoxiden, Polyestern, Polyurethanen, oder Polystyrolen und Mischungen davon verwendet werden. Anstelle oder zusätzlich zu einer Beschichtung aus Metalloxiden und/oder polymerisierten Kunstharzen können auch sogenannte Passivierungsschichten aufgebracht werden. Der Wirkungsmechanismus der Passivierungsschichten ist komplex. Bei Inhibitoren beruht er zumeist auf sterischen Effekten.
Die Inhibitoren werden üblicherweise in niedrigen Konzentrationen in der Größenordnung von 1 Gew.-% bis 1 5 Gew.-%, bezogen auf das
Gewicht des eingesetzten Metallpartikels, zugegeben. Für die Inhibierung werden vorzugsweise die folgenden Beschichtungssubstanzen verwendet:
• Organisch modifizierte Phosphonsauren bzw. deren Ester der
allgemeinen Formel R-P(O) (OFM ) (OR2), wobei: R = Alkyl, Aryl, Alkyl- aryl, Aryl-alkyl sowie Alkylether, insbesondere ethoxylierte Alkylether und
R1 , R2 = H, CnH2n+1 , mit n = 1 bis 12, vorzugsweise 1 - 6 ist, wobei Alkyl jeweils verzweigt oder unverzweigt sein kann. R1 kann gleich oder unterschiedlich zu R2 sein.
• Organisch modifizierte Phosphorsäuren und -ester der
allgemeinen Formel R-O-P(OR1 ) (OR2) mit R = Alkyl, Aryl, Alkyl- aryl, Aryl-alkyl sowie von Alkylether, insbesondere ethoxylierte Alkylether, und R1 , R2 = H, CnH2n+1 , mit n = 1 bis 12,
vorzugsweise 1 - 6 ist, wobei Alkyl jeweils verzweigt oder
unverzweigt sein kann. R1 kann gleich oder verschieden von R2 sein.
Verwendet werden können ebenfalls reine, anorganische Phosphonsauren oder -ester oder Phosphorsäuren oder -ester oder beliebige Mischungen derselben.
Weiterhin kann die Beschichtung aus organisch funktionalisierten Silanen, aliphatischen oder cyclischen Aminen, aliphatischen oder aromatischen
Nitroverbindungen, Sauerstoff-, Schwefel und/oder Stickstoff enthaltenden
Heterocyclen, wie beispielsweise Thioharnstoffderivaten, Schwefel und/oder Stickstoffverbindungen höherer Ketone, Aldehyden und/oder Alkoholen
(Fettalkoholen) und/oder Thiolen, oder Gemischen derselben bestehen oder diese umfassen. Die passivierende Inhibitorschicht kann aber auch aus den vorgenannten Substanzen bestehen. Bevorzugt sind organische Phosphonsäuren und/oder Phosphorsäureester oder deren Gemische. Bei Verwendung von
Aminverbindungen weisen diese bevorzugt organische Reste mit mehr als 6 C- Atomen auf. Bevorzugt werden vorgenannte Amine zusammen mit organischen Phosphonsäuren und/oder Phosphorsäureester oder deren Gemische eingesetzt.
Die Passivierung über Korrosionsschutzbarrieren mit chemischer und physikalischer Schutzwirkung ist auf vielfältige Weise möglich.
Passivierende Korrosionsschutzschichten, die bei plättchenförmigen metallischen Partikeln einen besonders guten Korrosionsschutz gewährleisten, umfassen oder bestehen aus Siliziumoxid, bevorzugt Siliziumdioxid,
Chromaluminiumoxid, das vorzugsweise durch Chromatierverfahren aufgebracht wird, Chromoxid, Zirkoniumoxid, Ceroxid, Aluminiumoxid, polymerisiertem/n Kunststoff harz(en), Phosphat-, Phosphit- oder Boratverbindungen oder Mischungen derselben.
Bevorzugt sind Siliziumdioxidschichten und Chromaluminiumoxidschichten (Chromatierung). Weiterhin bevorzugt sind Ceroxid, -hydroxid oder
oxidhydratschichten sowie Aluminiumoxid, -hydroxid oder -oxidhydratschichten, wie sie beispielsweise in der DE 195 20 312 A1 beschrieben sind. Die SiCVSchichten werden bevorzugt durch Sol-Gel-Verfahren mit
durchschnittlichen Schichtdicken von 10 - 150 nm und bevorzugt von 15 - 40 nm in organischen Lösemitteln hergestellt.
Weiterhin können die aufgeführten Beschichtungen kombiniert werden, so dass beispielsweise in einer besonderen Ausführungsform erfindungsgemäße Partikel eine Beschichtung aus einer Si02-Schicht mit anschließend aufgebrachter
Schicht aus funktionalisierten Silanen aufweisen.
Eine möglichst hohe Packungsdichte der abgeschieden Partikel ist gleich bedeutend mit einer Schicht, die möglichst ähnlich zu einer geschlossenen, nicht partikulären Schicht ist, demnach einer Schicht die dem idealen Grundmaterial entspricht. Eine hohe Packungsdichte wird erreicht, wenn die Partikel während des Beschichtungsvorganges ihre Form und Struktur weitest gehend beibehalten und insbesondere in der entstehenden Schicht noch als Einzelpartikel vorliegen. Ein solches Verhalten zeigen die Partikel wie beschrieben, wenn sie aus höher schmelzenden Metallen (Schmelzpunkt > 500 °C) und nicht-metallischen
Material bestehen. Die Energie des Plasmas aktiviert solche Partikel lediglich an ihrer Oberfläche, wodurch die Form der Partikel als solches in der auf dem
Substrat entstehenden Schicht bestehen bleibt.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren Beschichtungen auf dem Substrat aus wenigstens teilweise miteinander verwachsenen plättchenförmigen Partikeln können ohne Bindemittel zwischen der Beschichtung und dem Substrat hergestellt werden. Voraussetzung für die Herstellung von Beschichtungen ohne Bindemittel zwischen Schicht und Substrat ist die Verwendung von
plättchenförmigen Partikeln aus einem Material, die durch die Einwirkung des kalten Plasmastrahls an der Oberfläche zumindest teilweise anschmelzen, so dass die plättchenförmigen Partikel in der Beschichtung teilweise miteinander verwachsen. Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung aus
plättchenförmigen Partikeln zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung einen Strahlgenerator mit einem Einlass für die Zufuhr eines strömenden Arbeitsgases und einen Auslass für einen von dem Arbeitsgas geführten Plasmastrahl umfasst, der Strahlgenerator zwei mit einer Wechselspannungs- oder einer gepulsten Gleichspannungsquelle verbindbare Elektroden zur Ausbildung einer
Entladungsstrecke aufweist, entlang der das Arbeitsgas geführt wird, der
Strahlgenerator eine in dem Bereich der Entladungsstrecke mündende
Einspeiseöffnung aufweist, über die dem Plasmastrahl plättchenförmige Partikel zuführbar sind. Als Arbeitsgas werden der Vorrichtung über den Einlass ionisierbare Gase, insbesondere unter Druck stehende Luft, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid oder Wasserstoff zugeführt. Das Arbeitsgas wird zuvor gereinigt, so dass es öl- und schmiermittelfrei ist. Der Gasstrom in einem üblichen Strahlgenerator beträgt zwischen 1 0 bis 70 l/min, insbesondere zwischen 1 0 bis 40 l/min, bei einer Geschwindigkeit des Arbeitsgases zwischen 1 0 bis 1 00 m/s, insbesondere zwischen 10 bis 50 m/s.
Der Strahlgenerator umfasst weiter zwei, insbesondere koaxial im Abstand zueinander angeordnete Elektroden, die mit einer Wechselspannungs-, insbesondere jedoch einer gepulsten Gleichspannungsquelle verbunden werden. Zwischen den Elektroden bildet sich die Entladungsstrecke aus. Die gepulste Gleichspannung der Gleichspannungsquelle beträgt vorzugsweise zwischen 500 V bis 12 kV. Die Pulsfrequenz liegt zwischen 10 bis 100 kHz, insbesondere jedoch zwischen 10 bis 50 kHz.
Aufgrund des gepulsten Betriebes der Gleichspannungsquelle ist davon auszugehen, dass sich kein thermisches Gleichgewicht zwischen den leichten
Elektronen und den schweren Ionen ausbilden kann. Hieraus resultiert eine geringe Temperaturbelastung der eingespeisten plättchenförmigen Partikel. Der
Beschichtungsprozess mit dem erfindungsgemäßen Strahlgenerator wird vorzugsweise derart gesteuert, dass der Plasmastrahl des
Niedertemperaturplasmas in der Kernzone eine Gastemperatur von weniger als
900 Grad Celsius, insbesondere jedoch von weniger als 500 Grad Celsius aufweist
(Niedertemperaturplasma).
Indem die Einspeiseöffnung in dem Bereich der Entladungsstrecke zwischen den Elektroden des Strahlgenerators mündet, gelangen die plättchenförmigen Partikel einen Bereich, in dem eine direkte Plasmaanregung durch den Plasmastrahl stattfindet. Durch diese Maßnahme wird die benötigte Reaktionsenergie so gering wie möglich gehalten.
Vorzugsweise befindet sich die Einspeiseöffnung unmittelbar benachbart zu dem Auslass für den Plasmastrahl im Bereich der Entladungsstrecke. Erfolgt die Einspeisung indes unterhalb des Auslasses der Vorrichtung, was grundsätzlich auch möglich ist, kommt es lediglich zu einer indirekten
Plasmaanregung durch den gasgeführten Plasmastrahl, die energetisch ungünstiger ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Beschichtung einer Vielzahl von Substraten verwendet werden. Substrate können beispielsweise Metalle, Holz, Kunststoffe oder Papier sein. Die Substrate können in Form von geometrisch komplexen Formen, wie Bauteilen oder Fertigfabrikaten aber auch als Folie oder Blatt vorliegen. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren Beschichtungen auf dem Substrat aus wenigstens teilweise miteinander verwachsenen plättchenförmigen Partikeln können ohne Bindemittel zwischen der Beschichtung und dem Substrat hergestellt werden. Voraussetzung für die Herstellung von Beschichtungen ohne Bindemittel zwischen Schicht und Substrat ist die Verwendung von plättchenförmigen Partikeln aus einem
Material, die durch die Einwirkung des kalten Plasmastrahls an der Oberfläche zumindest teilweise anschmelzen, so dass die plättchenförmigen Partikel in der Beschichtung teilweise miteinander verwachsen.
Die Anwendungen für das erfindungsgemäße Verfahren sind ebenfalls sehr vielfältig. Mit dem Verfahren können beispielsweise optisch und elektromagnetisch reflektierende oder absorbierende, elektrisch leitende, halbleitende oder isolierende Schichten, Diffusionsbarrieren für Gase und Flüssigkeiten,
Gleitschichten, Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten sowie Schichten zur Beeinflussung der Oberflächenspannung sowie Schichten zur Haftvermittlung hergestellt werden.
Leitfähige Schichten die durch das Verfahren erzeugt werden, können
beispielsweise verwendet werden, um Heizleiterbahnen zu erzeugen. Weiterhin können solche leitfähigen Schichten auch als Abschirmungen, als elektrische Kontakte, als Sensorflächen und als Antennen, insbesondere RFID (Radio
Frequency Identification) Antennen, Verwendung finden.
Die Beschichtungen können großflächig aufgebracht werden, so dass sie das Substrat zum großen Teil (größer als 70% der Fläche des Substrates) bedecken. Die Schichten können aber auch kleinflächig, insbesondere in Form von Bahnen oder als Teilflächen aufgebracht werden, die weniger als 10% der Fläche des Substrats bedecken. Insbesondere bei der Aufbringung von Beschichtungen auf kleine Teilflächen des Substrats, beispielsweise beim Abscheiden von Kontakten, ist eine Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem Strahlgenerator während der Beschichtung nicht erforderlich. Die Schichten können auch in Form von Mustern aufgebracht werden, die bevorzugt an die gewünschte Funktionalität angepasst sind. Die Erzeugung von geometrischen Mustern kann beispielsweise auch durch die Verwendung von Masken erfolgen.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung aus
plättchenförmigen Partikeln zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung einen Strahlgenerator mit einem Einlass für die Zufuhr eines strömenden Arbeitsgases und einen Auslass für einen von dem Arbeitsgas geführten Plasmastrahl umfasst, der Strahlgenerator zwei mit einer Wechselspannungs- oder einer gepulsten
Gleichspannungsquelle verbindbare Elektroden zur Ausbildung einer
Entladungsstrecke aufweist, entlang der das Arbeitsgas geführt wird, der
Strahlgenerator eine in dem Bereich der Entladungsstrecke mündende
Einspeiseöffnung aufweist, über die dem Plasmastrahl plättchenförmige Partikel zuführbar sind.
Als Arbeitsgas werden der Vorrichtung über den Einlass ionisierbare Gase, insbesondere unter Druck stehende Luft, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid oder Wasserstoff zugeführt. Das Arbeitsgas wird zuvor gereinigt, so dass es öl- und schmiermittelfrei ist. Der Gasstrom in einem üblichen Strahlgenerator beträgt zwischen 10 bis 70 l/min, insbesondere zwischen 10 bis 40 l/min, bei einer
Geschwindigkeit des Arbeitsgases zwischen 10 bis 100 m/s, insbesondere zwischen 10 bis 50 m/s.
Der Strahlgenerator umfasst weiter zwei, insbesondere koaxial im Abstand zueinander angeordnete Elektroden, die mit einer Wechselspannungs-,
insbesondere jedoch einer gepulsten Gleichspannungsquelle verbunden werden. Zwischen den Elektroden bildet sich die Entladungsstrecke aus. Die gepulste Gleichspannung der Gleichspannungsquelle beträgt vorzugsweise zwischen 500 V bis 12 kV. Die Pulsfrequenz liegt zwischen 10 bis 100 kHz, insbesondere jedoch zwischen 10 bis 50 kHz. Aufgrund des gepulsten Betriebes der Gleichspannungsquelle ist davon
auszugehen, dass sich kein thermisches Gleichgewicht zwischen den leichten Elektronen und den schweren Ionen ausbilden kann. Hieraus resultiert eine geringe Temperaturbelastung der eingespeisten plättchenförmigen Partikel. Der
Beschichtungsprozess mit dem erfindungsgemäßen Strahlgenerator wird vorzugsweise derart gesteuert, dass der Plasmastrahl des Niedertemperaturplasmas in der Kernzone eine Gastemperatur von weniger als 900 Grad Celsius,
insbesondere jedoch von weniger als 500 Grad Celsius aufweist
(Niedertemperaturplasma). Indem die Einspeiseöffnung in dem Bereich der Entladungsstrecke zwischen den Elektroden des Strahlgenerators mündet, gelangen die plättchenförmigen Partikel einen Bereich, in dem eine direkte Plasmaanregung durch den Plasmastrahl stattfindet. Durch diese Maßnahme wird die benötigte Reaktionsenergie so gering wie möglich gehalten. Vorzugsweise befindet sich die Einspeiseöffnung unmittelbar benachbart zu dem Auslass für den Plasmastrahl im Bereich der Entladungsstrecke. Erfolgt die
Einspeisung indes unterhalb des Auslasses der Vorrichtung, was grundsätzlich auch möglich ist, kommt es lediglich zu einer indirekten Plasmaanregung durch den gasgeführten Plasmastrahl, die energetisch ungünstiger ist. Wie bereits eingangs erwähnt, erfolgt die Einspeisung der plättchenförmigen Partikel vorzugsweise mittels eines Trägergases für die plättchenförmigen Partikel. Zur Erzeugung des Gemisches aus den plättchenförmigen Partikeln und dem Trägergas ist die Einspeiseöffnung des Strahlgenerators über eine Leitung mit einer
Wirbelkammer verbunden. Die Wirbelkammer ist als geschlossener Behälter aufgeführt und höchstens bis zu einem maximalen Füllstand mit den
plättchenförmigen Partikeln befüllt. Die plättchenförmigen Partikel werden über mindestens einen Gaseinlass mit einem unter Überdruck stehenden Trägergas, insbesondere in einer periodischen Folge beaufschlagt, wodurch die aufgewirbelten plättchenförmigen Partikel zusammen mit dem Trägergas als Gemisch über mindestens einen oberhalb des maximalen Füllstandes der Wirbelkammer angeordneten Auslass aus dem Behälter in Richtung der Einspeiseöffnung des Strahlgenerators strömen.
Die periodische Beaufschlagung der plättchenförmigen Partikel in der Wirbelkammer mit dem Trägergas erfolgt mit einer Frequenz im Bereich von 1 Hz bis 100 Hz.
Insbesondere werden die Partikel zeitlich aufeinander folgend über mehrere
Gaseinlässe mit dem Trägergas beaufschlagt. Der bzw. die Gaseinlässe können unmittelbar in dem üblicherweise vorhandenen Vorrat plättchenförmiger Partikel münden. Neben dieser bevorzugten unmittelbaren Einblasung des Trägergases in die Partikel ist es jedoch auch möglich, den bzw. die Gaseinlässe oberhalb des maximalen Füllstandes der Partikel in der Wirbelkammer anzuordnen, so dass das Trägergas auf die Oberfläche der Partikel trifft.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele
veranschaulicht, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Verwendete Messmethoden : Größe-Dicken-Verhältnis:
Das Größe-Dicken-Verhältnis einer Partikelprobe aus den aufgeführten Beispielen wurde aus der Auswertung von REM-Aufnahmen bestimmt. Dabei wurde jeweils der Längendurchmesser mittels Cilas 1064 und die Dicke einer statistischen Anzahl (mindestens 100) an Partikeln ermittelt und das mittlere Größe-Dicken-Verhältnis durch Quotientenbildung aus Längendurchmesser zu Dicke errechnet.
Beispiel 1: Herstellung von Aluminiumpulver
In einem Induktionstiegelofen (Fa. Induga, Köln, Deutschland) wurden ca. 2,5 to Aluminiumbarren (Metall) kontinuierlich eingebracht und geschmolzen. Im sogenannten Vorherd lag die Aluminiumschmelze bei einer Temperatur von etwa 720 °C flüssig vor. Mehrere Düsen, die nach einem Injektorprinzip arbeiten, tauchten in die Schmelze ein und verdüsten die Aluminiumschmelze vertikal nach oben. Das Verdüsungsgas wurde in Kompressoren (Fa. Kaeser, Coburg, Deutschland) bis auf 20 bar verdichtet und in Gaserhitzern bis auf etwa 700 °C erhitzt. Das nach der Zerstäubung/Verdüsung entstandene Aluminiumpulver erstarrte und erkaltete im Fluge. Der Induktionsofen war in eine geschlossene Anlage integriert. Die Verdüsung erfolgte unter Inertgas (Stickstoff). Die
Abscheidung des Aluminiumpulvers erfolgte zuerst in einem Zyklon, wobei der dort abgeschiedene pulverförmige Aluminiumgrieß einen D50 von 14 - 17 μιη besaß. Zur weiteren Abscheidung diente in Folge ein Multizyklon, wobei das in diesem abgeschiedene pulverförmige Aluminiumpulver einen D50 von 2,3 - 2,8 μιη besaß. Die Gas-Feststoff-Trennung erfolgte in einem Filter (Fa. Alpine, Thailand) mit Metallelementen (Fa. Pall). Hierbei wurde als feinste Fraktion ein
Aluminiumpulver mit einem d10 von 0,7 μιη, (außerhalb des Bereichs!) einem d50 10 von 1 ,9 μιη und einem d90 von 3,8 μιη gewonnen.
Beispiel 2: Herstellung von metallischen plättchenförmigen Partikeln durch Vermahlung:
In einer Topfmühle (Länge: 32 cm, Breite: 19 cm) wurden 4 kg Glaskugeln (Durchmesser: 2 mm), 75 g feinstes Aluminiumpulver, 200 g Testbenzin und 3,75 g Ölsäure aufgegeben. Anschließend wurde 15 h lang bei 58 U/min vermählen. Das Produkt wurde durch Spülen mit Testbenzin von den
Mahlkugeln getrennt und anschließend in einer Nasssiebung auf einem 25 μηΊ-Sieb gesiebt. Das Feinkorn wurde über einer Nutsche weitgehend von Testbenzin befreit (ca. 80% Feststoffanteil).
Beispiel 3: Herstellung von nicht-metallischen plättchenförmigen
Partikeln (Aluminiumhydroxid) durch Oxidation von metallischen
plättchenförmigen Partikeln (Aluminium): In einem 5 L Glasreaktor wurden 300 g eines wie in Beispiel 2 beschriebenen verformten Aluminiumpulvers in 1000 ml Isopropanol (VWR, Deutschland) durch Rühren mit einem Propellerrührer dispergiert. Die Suspension wurde auf 78 °C erhitzt. Anschließend wurden 5 g einer 25 Gew.-% Ammoniaklösung (VWR, Deutschland) zugegeben. Nach kurzer Zeit konnte eine starke Gasentwicklung beobachtet werden. Drei Stunden nach der ersten Ammoniakzugabe wurde weitere 5 g 25 Gew.-% Ammoniaklösung zugegeben. Nach weiteren drei Stunden wurden wiederum 5 g 25 Gew.-% Ammoniaklösung zugegeben. Die Suspension wurde über Nacht weiter gerührt. Am nächsten Morgen wurde der Feststoff mittels einer Nutsche abgetrennt und im Vakuumtrockenschrank für 48 h bei 50 °C getrocknet. Es wurde ein weißes Pulver erhalten. Dieses Pulver wurde anschließend charakterisiert. Zunächst wurden die Teilchengröße und das Zetapotential als Funktion des pH-Wertes untersucht. Die pH-Wert Einstellung erfolgte mittels 1 ,0 M NaOH bzw. 1 ,0 M HCl. Bei niedrigem als auch bei hohem pH Wert zeigt das Zetapotential ein Maximum und der Partikeldurchmesser ein
Minimum. Aus einer XRD Analyse des Materials kann eine Zusammensetzung von ca. 33 Gew.-% Böhmit (AIOOH) und 67 Gew.-% Gibbsit (AI(OH)3) abgeleitet werden.
Beispiel 4: Herstellung von nicht-metallischen plättchenförmigen Partikeln (Aluminiumoxid) durch Temperaturbehandlung von nicht-metallischen
plättchenförmigen 25 Partikeln (Aluminiumhydroxid).
500 g eines nach Beispiel 3 hergestellten Materials wurden für 10 Minuten in einem Drehrohrofen (Nabertherm, Deutschland) auf 1 100 °C erhitzt. Es wurden 335 g eines weißen Pulvers erhalten. Dieses wurde wie beschrieben untersucht. Im
Unterschied zu dem unkalzinierten. Material ist der Teilchendurchmesser etwas größer und das Zetapotential im gesamten pH Bereich positiv. Die XRD Analyse zeigt theta-AI203.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Strahlgenerators sowie
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Strahlgenerators nach Figur 1 im
Bereich des Auslasses. Der erfindungsgemäße Strahlgenerator 1 zur Erzeugung eines Plasmastrahls 2 eines Niedertemperaturplasmas umfasst zwei im Strom eines Arbeitsgases 3 angeordnete Elektroden 4, 5 sowie eine Spannungsquelle 6 zur Erzeugung einer gepulsten Gleichspannung zwischen den Elektroden 4, 5. Die erste Elektrode 4 ist als Stiftelektrode ausgeführt, während die im Abstand dazu angeordnete zweite
Elektrode 5 als ringförmige Elektrode ausgebildet ist. Die Strecke zwischen der Spitze der Stiftelektrode 4 und der Ringelektrode 5 bildet eine Entladungsstrecke 16.
Ein Mantel 7 aus elektrisch leitendem Material ist konzentrisch zu der Stiftelektrode 4 angeordnet und gegenüber der Stiftelektrode 4 isoliert. An der, der ringförmigen Elektrode 5, gegenüberliegenden Stirnseite des Strahlgenerators 1 wird das Arbeitsgas 3 über einen Einlass 21 zugeführt. Der Einlass 21 befindet sich an einer stirnseitig auf den hohlzylindrischen Mantel 7 aufgesetzten, die Stiftelektrode 4 halternden Hülse 22 aus elektrisch isolierendem Material. An der
gegenüberliegenden Stirnseite verjüngt sich der Mantel 7 düsenförmig zu einem Auslass 8 für den Plasmastrahl 2.
Unmittelbar benachbart zu dem in Achsrichtung des Strahlgenerators 1 verlaufenden Auslass 8 befindet sich querab zu dessen Längserstreckung eine Einspeiseöffnung 9, über die dem Plasmastrahl 2 plättchenförmige Partikel 10 zuführbar sind. Die Einspeiseöffnung 9 des Strahlgenerators 1 ist zu diesem Zweck über eine Leitung 12 mit einer Wirbelkammer 1 1 verbunden, in der plättchenförmige Partikeln 10 bevorratet werden. Die Wirbelkammer 1 1 wird höchstens bis zu einem maximalen Füllstand 13 mit den plättchenförmigen Partikeln 10 befüllt. Unterhalb des maximalen Füllstandes 13 mündet in der Wirbelkammer 1 1 ein Einlass 23 für ein Trägergas 14 das unter einem
gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck in den Partikelvorrat eingeblasen wird. Hierdurch werden die Partikel 10 in dem Raum oberhalb des maximalen 20 Füllstandes 13 aufgewirbelt und gelangen über einen Auslass 15 die Leitung 12 und die Einspeiseöffnung 9 in die Entladungsstrecke 16 des Strahlgenerators 1 . Wie insbesondere aus der Vergrößerung in Figur 2 erkennbar, gelangen die plättchenförmigen Partikel 1 0 quer zur Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls 2 in eine Kernzone 17 des Plasmastrahls 2, in der eine Temperatur von weniger als 500 Grad Celsius herrscht (Niedertemperaturplasma). Die
Spannungsquelle 6 erhöht, während jedes Pulses, die zwischen den Elektroden 4, 5 anliegende Spannung, bis zwischen den Elektroden 4, 5 die Zündspannung für die Ausbildung eines Lichtbogens zwischen den Elektroden 4, 5 anliegt. Aufgrund des leitenden Mantels 7 kommt es auch zu Entladungen in Richtung der inneren
Mantelfläche, wie dies in Figur 1 durch die punktierten Linien angedeutet ist. Bei Erreichen der Zündspannung wird die Entladungsstrecke 16 zwischen den
Elektroden 4, 5 leitfähig. Die Spannungsquelle 6 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie einen Spannungspuls mit einer Zündspannung für die Lichtbogenentladung und einer Pulsfrequenz erzeugt, der den Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen jeweils verlöschen lässt. Infolge dessen kommt es zu einer gepulsten Gasentladung in dem Plasmastrahl 2. Die Pulsfrequenz liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10 kHz bis 100 kHz, im dargestellten Ausführungsbeispiel bei 50 kHz. Die Spannung der Spannungsquelle 6 beträgt maximal 12 kV. Als Arbeitsgas 3 kommt Druckluft zum Einsatz, wobei 40 l/min im normalen Betriebszustand zugeführt werden.
Sofern mit Hilfe des Strahlgenerators 1 abweichend zum dargestellten
Ausführungsbeispiel nicht nur eine punktuelle Beschichtung auf dem Substrat 20 erzeugt werden soll, besteht in einer Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, dass der Plasmastrahl 2 und das Substrat 20, während des Aufbringens der
Beschichtung zumindest zeitweise relativ zueinander bewegt werden. Die
Relativbewegung kann durch Verschieben des Substrates 20, beispielsweise auf einem in der horizontalen Ebene beweglichen Tisch erfolgen. Alternativ ist der Strahlgenerator 1 an einer zumindest in einer zum Substrat 20 parallelen Ebene beweglichen XY-Verfahreinheit angeordnet, so dass der Generator mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu dem Substrat bewegbar ist. Durch die
Relativbewegung lassen sich Bahnen oder auch vollflächige Beschichtungen des Substrates 20 erzeugen.

Claims

Patentansprüche:
Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat (20), bei dem durch Hindurchleiten eines Arbeitsgases (3) durch eine Anregungszone ein Plasmastrahl (2) eines Niedertemperaturplasmas erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den auf das Substrat (20) gerichteten Plasmastrahl (2) plättchenförmige Partikel (10) mit einer mittleren Dicke (H) zwischen 10 und 50.000 Nanometer und einem Formfaktor (F) in dem Wertebereich von 10 bis 2000 eingespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die plättchenförmigen Partikel (10) mit Hilfe eines Trägergases (14) in den Plasmastrahl (2) eingespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Volumenstrom des Trägergases (14) in einem Bereich von 1 l/min bis 15 l/min und der Druck in einem Bereich zwischen 0,5 bar bis 2 bar liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Plasmastrahl (2) und das Substrat (20) während des Aufbringens der Beschichtung (19) zumindest zeitweise relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die plättchenförmigen Partikel (10) quer zur Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls (2) in den Plasmastrahl (2) eingespeist werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Plasmastrahl (2) mit einer Gastemperatur in einer Kernzone (17) des Plasmastrahls (2) von weniger als 900 Grad Celsius erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Plasmastrahl (2) unter einem Umgebungsdruck in einem Druckbereich von 0,5 - 1 ,5 bar erzeugt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Plasmastrahl (2) durch Anregung des Arbeitsgases (3) mittels einer Wechselspannung oder einer gepulsten Gleichspannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Wechselspannung oder die gepulste
Gleichspannung zwischen 500 V und 15 kV beträgt und die Frequenz der
Wechselspannung oder der gepulsten Gleichspannung zwischen 10 kHz bis 100 kHz liegt. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei plättchenförmige Partikel (10) aus Metall in den Plasmastrahl (2) eingespeist werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Metall der Gruppe bestehend aus Aluminium, Zink, Zinn, Titan, Eisen, Kupfer, Silber, Gold, Wolfram, Silizium oder Legierungen oder
Mischungen davon, entnommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei das Metall der Gruppe bestehend aus Oxiden, Carbiden, Hydroxiden, Carbonaten, Chloriden, Fluoriden, oder Mischungen davon, entnommen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die plättchenförmigen Partikel
(10) zusätzlich mit mindestens einer weiteren Schicht wenigstens teilweise beschichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die weitere Schicht von einem Polymer gebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Substrat der Gruppe
bestehend aus Metallen, Holz, Kunststoffen, Glas, Keramik, Biowerkstoffen oder
Papier, entnommen wird.
16. Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat dadurch
gekennzeichnet, dass, • die Vorrichtung einen Strahlgenerator (1 ) mit einem Einlass (21 ) für die Zufuhr eines strömenden Arbeitsgases (3) und einen Auslass (8) für einen von dem Arbeitsgas (3) geführten Plasmastrahl (3) umfasst,
• der Strahlgenerator(1 ) zwei mit einer Wechselspann ungs- oder einer gepulsten Gleichspannungsquelle verbindbare Elektroden (4,5) zur Ausbildung einer
Entladungsstrecke (16) aufweist, entlang der das Arbeitsgas (3) fühbar ist; und
• der Strahlgenerator (1 ) mindestens eine in dem Bereich der Entladungsstrecke (16) mündende Einspeiseöffnung (9) aufweist, über die dem Plasmastrahl (2) plättchenförmige Partikel (10) zuführbar sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei jede Einspeiseöffnung (9) unmittelbar benachbart zu dem Auslass (8) für den Plasmastrahl (2) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei jede Einspeiseöffnung (9) des
Strahlgenerators (1 ) mit einer Wirbelkammer (11 ) zur Erzeugung eines Gemisches aus den plättchenförmigen Partikeln (10) und einem Trägegas (14) verbunden ist.
19. Beschichtung (19) auf einem Substrat (20) aus wenigstens teilweise miteinander
verwachsenen plättchenförmigen Partikeln (10), hergestellt durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15.
20. Verwendung von plättchenförmigen Partikeln (10) mit einer mittleren Dicke H zwischen 10 und 50.000 Nanometer und einem Formfaktor F in dem Wertebereich von 10 bis 2000 zum Aufbringen einer Beschichtung (19) auf ein Substrat (20) unter Verwendung eines gasgeführten Plasmastrahls (2) eines Niedertemperaturplasmas.
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