Forschungsbereich

Oberflächentechnik

Plasmachemische Oxidation - PCO®

Mit dem Verfahren der plasmachemischen Oxidation (PCO) können auf den Leichtmetallen Aluminium, Titan, Magnesium und deren Legierungen anorganische röntgenamorphe Mischoxidschichten erzeugt werden, die neben oxidischen Verbindungen des Substratmaterials auch nichtstöchiometrische Verbindungen von Elektrolytbestandteilen mit dem Substratwerkstoff enthalten.

PCO® - Verfahren

Für die Herstellung dieser Schichten wird neben einer speziellen äußere Stromquelle ein ganz normales galvanisches Becken verwendet. Das zu beschichtende Bauteil wird als Anode in dieses Becken eingebracht, als Gegenelektrode kann ein Cr-Ni- Stahl bzw. auch ein gleichartiger Werkstoff wie die Anode verwendet werden. Die Oberfläche des Bauteiles wird durch den Prozess in die oxidische Form überführt und gleichzeitig werden Elektrolytbestandteile der speziellen Elektrolyte durch die Plasmaentladungen in die entstehenden Schichten eingebaut. Somit lassen sich durch die elektrischen Parameter des Prozesses und durch die Zusammensetzung der Elektrolyte auch die Eigenschaften der erzeugten Schichten in weiten Grenzen variieren.

 

 

    Seit über zwanzig Jahren werden in Jena anwendungsorientierte Forschungen und seit mehr als zehn Jahren erfolgreiche industrielle Überleitungen zur plasmachemischen Oxidation (PCO® ) von Leichtmetallen durchgeführt. Dieses Verfahren, auch bekannt als „anodische Oxidation unter Funkenentladung“ (ANOF), „Anodic Spark Deposition“ (ASD), „Kepla - Coat“, „Plasmocer“, „Keronite“ oder auch „Micro Arc Oxidation“ (MAO)  ermöglicht die Bildung von Oxidschichten mit herausragenden spezifischen Eigenschaften und wird naturwissenschaftlich eingeordnet in die Bereiche Elektrochemie und Plasmaphysik.

     

    PCO® - Entwicklungen

    Mit der Gründung der Arbeitsgruppe Elektrochemie an der Forschungseinrichtung INNOVENT im Jahre 1999 erfolgte die forschungsseitige Weiterführung der bisher im Raum Jena durchgeführten Arbeiten zur plasmachemischen Oxidation von Leichtmetallen. Mit dem Aufbau entsprechender Laboranlagen und Analysentechnik sind sehr gute Voraussetzungen geschaffen, um erfolgreich auf diesem Gebiet tätig zu sein.

    Der Fokus der Arbeiten lag und liegt auf der Entwicklung von plasmachemisch erzeugten Schichten für verschiedene Substratmaterialien und für verschiedene Anwendungen. So konnten neue Schichtsysteme für z.B. Magnesiumlegierungen entwickelt und z.B. im optischen Gerätebau zur Anwendung gebracht werden.

    Weitere Entwicklungsarbeiten liegen u.a. auf dem Gebiet der Funktionalisierung von Titan- und Magnesiumoberflächen z.B. für den medizinischen Einsatz, der Technologieentwicklung für die Beschichtung von hochsiliziumhaltigen Aluminiumlegierungen sowie der Entwicklung von REACH und RoHS konformen Elektrolytsystemen. Ein weiterer Fokus der Entwicklung ist gerichtet auf den Einsatz von z.B. Wechselstrom für die gleichzeitige Beschichtung der beiden Elektroden.

    Diese Entwicklung von Schichten mit ganz definierten Schichteigenschaften konnte bereits mehrfach die die industrielle Nutzung überführt werden. Damit liegen auch fundierte Erfahrungen bei der Konzepterstellung von entsprechender Anlagentechnik und der Technologieeinführung zur industriellen Nutzung vor.

    PCO® - Applikationen in

    • Optik und Lasertechnik
    • Maschinenbau
    • Medizintechnik (Implantate)
    • Luft- und Raumfahrt
    • Lebensmittelindustrie u.a.

    Leichtmetalle und Legierungen

    Literatur

    • F. Ausserer, I. Velkavrh, J. Voyer, S. Klien, A. Diem, J. Schmidt, R. Tessadri, V. Kahlenberg: „Morphology and Tribological Behaviour of Amorphous and Crystalline Aluminum Oxide Layers“; Solid State Phenomena 2017, 267, 190–194. doi:10.4028/www.scientific.net/ssp.267.190.
    • E. Kwas, J. Schmidt, M. Kunert, S. Thein: „Ceramic coatings containing calcium and phosphate on magnesium alloy MnE21“; Surface Innovations 2017, 5(4), 221–231. doi:10.1680/jsuin.17.00017.
    • A. Nguyen, M. Kunert, N. Hort, C. Schrader, J. Weisser, J. Schmidt: „Cytotoxicity of the Ga-containing coatings on biodegradable magnesium alloys”; Surface Innovations 2015, 3(1), 10–19. doi:10.1680/si.13.00035.
    • J. Schmidt, A. Pfuch, B. Grünler: „Plasma chemical Oxidation of Light Metal Alloys“; Metal Russia 2014, 7-8, 48–52.
    • H. Rebl, B. Finke, J. Schmidt, H.S. Mohamad, R. Ihrke, C.A. Helm, J.B. Nebe: „Accelerated cell-surface interlocking on plasma polymer-modified porous ceramics“; Materials Science and Engineering: C 2016, 69, 1116–1124. doi:10.1016/j.msec.2016.08.016.
    • J. Schmidt, D. Conrad: „Beschichtung von Leichtmetallen für Anwendungen in der Lasertechnik“; Galvanotechnik 2013, 104(1), 79–85.

    Jürgen Schmidt

    Oberflächentechnik
    Abteilungsleiter
    Elektrochemie

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    Telefon: +49 3641 20498 23