Reaktive Abscheidung von Metalloxiden auf Polycarbonat zur Erzeugung transparenter Verschleißschutzschichten

176 Pages·1998·6.152 MB·German

by  Dr.-Ing. Patrick Markschläger (auth.)

B~DJ=6ITJOJ
Forschung und Praxis
Band 278
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fOr Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der UniversiUit Stuttgart und
Institut fOr Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H. J. Warnecke, E. Westkamper
und H.-J. Bullinger
Springer
Berlin
Heidelberg
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Paris
Singapur
Tokio
Patrick Markschlager
Reaktive Abscheidung
von Metalloxiden auf
Polycarbonat zur
Erzeugung transparenter
VerschleiBschutzschichten
Mit 85 Abbildungen und 13 Tabellen
, Springer
Dr.-Ing. Patrick Markschlager
Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. H. J. Warnecke
o. Professor an der Universitiit Stuttgart
Priisident der Fraunhofer-Gesellschaft. Milnchen
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. E. Westkamper
o. Professor an der Universitii! Stuttgart
Fraunhofer-Insti!u! filr Produktionstechnik und Automatisierung ((PA). Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e. h. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universitiit Stuttgart
Fraunhofer-Institut fUr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO). Stuttgart
093
ISBN-13: 978-3-540-65502-2 e-ISBN-13: 978-3-642-47967-0
001: 10.1007/978-3-642-47967-0
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SPIN 10709868 6213020-543210
Geleitwort der Herausgeber
Ober den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer marktwirtschaftlichen
Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt. Das bedeutet, moglichst frOhzeitig
absatzmarktorientierte Anforderungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und
darauf zu reagieren.
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und eroffnen neue
Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechnologien verwandeln signifikant
und nachhaltig unsere industrielle Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Verande
rungen signalisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unseren Indu
striebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und anspruchsvoller ge
worden. Die Integration des europaischen Marktes, die Globalisierung vieler Industrien,
die zunehmende Innovationsgeschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft
und die Obergreifenden okologischen und sozialen Probleme, zu deren Losung die Wirt
schaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den FOhrungskraften erweiterte Perspek
tiven und Antworten, die Ober den Fokus traditionellen Produktionsmanagements deut
lich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten Bereich sind heute
schon feste Bestandteile innovativer Unternehmen. Die Entkopplung der Arbeitszeit von
der Betriebszeit, integrierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, welche die aktuellen Entwicklungsrichtungen kennzeich
nen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Menschen in den Mittelpunkt der
Arbeitsgestaltung zu stellen -die traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze
weichen einer starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizierungspro
gramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterentwicklung gewinnen als Diffe
renzierungsmerkmal und als Zukunftsinvestition in Human Resources an strategischer
Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses BemOhen durch die Entwicklung von Methoden
und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Verbesserung des Systems
Produktionsbetrieb einschlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stOtzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusammenarbeit mit anderen
Disziplinen, z. B. der Informatik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswissen
schaft, Losungen zu erarbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung
tragen.
Die von den Herausgebern langjahrig geleiteten Institute, das
- Institut fOr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fOr Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (lAT),
- Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPA),
- Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeig
ten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter
haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefuhrt, die fUr die Praxis
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriften
reihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt
diese Reihe fort. Eine Obersicht uber bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses
Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fUr die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer-Verlag fUr die Auf
nahme dieser Schriftenreihe in seine Angebotspalette und der Druckerei fUr saubere und
zugige AusfUhrung. Mage das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H. J. Warnecke E. Westkamper H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wlihrend meiner Tiitigkeit aIs wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und Automatisierung, Stuttgart. Zum Dank fUr
den RlickhaIt wlihrend des Entstehens der Arbeit widme ich das Buch meiner Frau Elke und
meinen beiden Kindem Franzisca und Antonia.
Mein Dank gilt Herro Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. E. Westkiimper fUr die groBzligige Unterstlitzung
und Forderung, welche die DurchfUhrung der Arbeit ermoglichte.
Herro Prof. Dr. rer. nat. R. Gadow danke ich fUr die wissenschaftliche UnterstUtzung, die ich
von Thm und seinem Institut erhaIten habe, fUr die eingehende Durchsicht der Arbeit und fUr
die wertvollen Hinweise, die sich daraus ergaben.
Darliber hinaus danke ich aIlen Mitarbeitem des Instituts, die mich durch ihre anregende
Kritik und Diskussion sowie durch Thre Hilfsbereitschaft unterstlitzt haben. Mein besonderer
Dank gilt den Herren Dr. K. Melchior, Dipl.-Ing. (FH) T. Bolch, Dr. G. Kampschulte, Dr.-Ing.
D. Mann, Dr.-Ing. O. Morlok, Dipl.-Ing. T. Lux und Dipl.-Phys. M. Eckel. Des weiteren
danke ich der Frau Dr. B. Hasse von der Fa. ROWO Coating fUr die DurchfUhrung umfang
reicher Transmissions-und Streulichtmessungen.
Stuttgart, Oktober 1998 Patrick Markschliiger
Inhaltsverzeichnis
o Symbol. und Abkiirzungsverzeichnis ................................................................................. 5
1 Einleitung ............................................................................................................................ 15
1.1 Ausgangsbedingung und ProblemstelIung .................................................................... 15
1.2 Zielsetzung und Losungsweg ........................................................................................ 16
2 Stand der Technik .............................................................................................................. 18
2.1 Beschichten von Kunststoffen ....................................................................................... 18
2.1.1 Chemische und elektrochemische Verfahren zur Kunststoffbeschichtung ......... 19
2.1.2 Plasmapolymerisation zur Kunststoffbeschichtung ............................................ 22
2.1.3 Physikalische Verfahren zur Kunststoffbeschichtung ......................................... 24
2.1.3.1 Aufdampfen im Hochvakuum ................................................................ 25
2.1.3.2 Kathodenzerstaubung ............................................................................. 28
2.1.3.3 Ionenplattierung ..................................................................................... 31
2.1.3.4 Das kathodische Lichtbogenverdampfen ............................................... 31
2.1.3.5 Das anodische Lichtbogenverdampfen .................................................. 33
2.1.4 Vergleich der Schichteigenschaften der PVD-Verfahren .................................... 34
2.1.4.1 Schichtwachstum ................................................................................... 35
2.1.4.2 Schichtstruktur ....................................................................................... 37
2.1.4.3 Haftung ................................................................................................... 42
2.1.4.4 Dichte ..................................................................................................... 42
2.1.4.5 Schichtreinheit ...................................................................................... .43
2.2 Modifikation von Kunststoffen im Plasma ................................................................... 44
2.3 MeBverfahren zur Charakterisierung der Schicht-bzw. der Oberflachen-
eigenschaften ................................................................................................................ 48
2.3.1 Bestimmung der Haftfestigkeit .......................................................................... .48
2.3.1.1 Stimabzugtest. ........................................................................................ 48
2.3.1.2 Scotch-Tape-Test ................................................................................... 50
2.3.1.3 Gitterschnittest ....................................................................................... 50
2.3.2 Bestimmung der VerschleiBfestigkeit ................................................................. 52
2.3.2.1 Sandrieselverfahren ................................................................................ 52
2.3.2.2 Reibradverfahren .................................................................................... 53
2.3.2.3 Streulichtmessung mit der U1brichtkugel (Transmission) ..................... 55
2.3.3 Bestimmung der Schichtdicke ............................................................................. 56
2.3.3.1 Kalottenschliff-Verfahren ...................................................................... 56
2.3.3.2 Schwingquarz ......................................................................................... 57
2.3.4 Bestimmung der Oberflachenspannung .............................................................. 59
2.3.5 Bestimmung der Oberflachentopographie und der Schichtzusammensetzung
mit einem REM mit energiedispersiver Rontgenmikroanalyse (EDX) .............. 61
-10-
3 Physikalische Grundlagen ................................................................................................. 63
3.1 Vakuum ........................................................................................................................ 63
3.2 VerdampfungsprozeB .................................................................................................... 65
3.2.1 Transportphase .................................................................................................... 69
3.2.2 Kondensationsphase ............................................................................................ 69
3.3 Plasma ........................................................................................................................... 70
3.3.1 Erzeugung von Niederdruckplasmen .................................................................. 71
3.3.2 PlasmakenngroBen .............................................................................................. 73
3.4 Schichthaftung .............................................................................................................. 79
3.4.1 Definition von Haftfestigkeit .............................................................................. 79
3.4.2 Modelle fiir die Haftung von Metallen auf Kunststoffen ................................... 80
4 Versuchsautbau .................................................................................................................. 83
4.1 Plasmaatzanlage ............................................................................................................ 83
4.2 Beschichtungsanlage ..................................................................................................... 84
5 Versuchsdurchrtihrung ...................................................................................................... 89
5.1 Substrate ....................................................................................................................... 89
5.2 Versuchsablauf ............................................................................................................. 90
5.2.1 Plasmamodifikation ............................................................................................. 90
5.2.2 Beschichtung ....................................................................................................... 90
5.3 Schicht-, Verdampfungs-und Tiegelmaterialien .......................................................... 93
5.4 Parameter der zur Charakterisierung der Schicht-bzw. der Oberflachen-
eigenschaften eingesetzten Verfahren .......................................................................... 94
5.4.1 Kontaktwinkelmessung ....................................................................................... 94
5.4.2 Stimabzug ........................................................................................................... 94
5.4.3 Gitterschnittest .................................................................................................... 95
5.4.4 Sandrieseltest.. ..................................................................................................... 96
5.4.5 Reibradverfahren ................................................................................................. 96
5.4.6 Streulichtmessungen ............................................................................................ 97
5.4.7 Rasterelektronenmikroskopie (REM) ................................................................. 97
6 Ergebnisse der Versuche ................................................................................................... 98
6.1 Plasmamodifikation ...................................................................................................... 98
6.1.1 EinfluB der Plasmamodifikation auf den Kontaktwinkel .................................... 98
-11-
6.1.1.1 EinfluB der Leistungsdichte und der Atzgaszusammensetzung ............. 98
6.1.1.2 EinfluB der Atzzeit und der Atzgaszusammensetzung ........................ 100
6.1.1.3 EinfluB der Atzzeit und der Leistungsdichte ........................................ 103
6.1.2 EinfluB der Plasmamodifikation auf die Oberfliichenstruktur .......................... 105
6.1.2.1 EinfluB der Atzdauer und der Leistungsdichte ..................................... 105
6.1.2.2 EinfluB der Leistungsdichte und der Atzgasmischung ......................... 107
6.2 Beschichtung ............................................................................................................... 108
6.2.1 Abscheidung von SiOx-Schichten ..................................................................... 10 9
6.2.2 Abscheidung von AI0x-Schichten .................................................................... 111
6.2.3 Abscheidung von SnOx-Schichten .................................................................... 114
6.2.4 Abscheidung von MgOx-Schichten .................................................................. 115
6.2.5 Zusammenstellung der Versuchsparameter ....................................................... 116
6.3 EinfluB der Plasmamodifikation auf die Haftfestigkeit .............................................. 117
6.3.1 EinfluB der Atzdauer und der Atzleistungsdichte ............................................. 117
6.3.2 EinfluB der Atzleistungsdichte und der Atzgasmischung ................................. 119
6.3.3 Zusammenhang zwischen dem Kontaktwinkel und der Haftfestigkeit... ......... 119
6.4 EinfluB der Beschichtungsparameter auf die Haftfestigkeit ....................................... 121
6.4.1 EinfluB der Schichtdicke ................................................................................... 121
6.4.2 EinfluB der Biasspannung ................................................................................. 122
6.5 Optische Eigenschaften und VerschleiBfestigkeit der abgeschiedenen Schichten ..... 128
6.5.1 Transmission der abgeschiedenen Schichten .................................................... 128
6.5.2 Streulichtanteil in der Transmission .................................................................. 133
6.5.3 VerschleiBfestigkeit der Metalloxidschichten ................................................... 137
6.5.3.1 Abhangigkeit des VerschleiBverhaltens von der Biasspannung .......... 137
6.5.3.2 Korrelation zwischen Haftfestigkeit und VerschleiBverhalten ............ 141
7 Anwendungen ................................................................................................................... 146
7.1 VerschleiBschutzschichten flir Motorradhelmvisiere ................................................. 146
7.2 VerschleiBschutzschichten in der Automobilindustrie ............................................... 149
7.3 VerschleiBschutzschichten in der Leuchtmittelindustrie ............................................ 150
7.4 Weitere mogliche Anwendungen ............................................................................... 151
8 Zusammenfassung und Ausblick .................................................................................... 152
9 Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 149