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Spot on: Materialien Plasma: Energiegeladenes Gebilde

In den letzten Folgen unserer Serie »Spot on: Materialien« stellten wir Werkstoffe vor, die eindeutig (be-)greifbar sind, zum Beispiel Nickel oder Titan. Dieses Mal widmen wir uns einem »Gebilde« (altgriechisch: Plasma), ohne das moderne Oberflächenlösungen nicht denkbar wären.

Wie entsteht Plasma?

Wie entsteht Plasma?
Plasma ist – nach fest, flüssig und gasförmig – der vierte Aggregatzustand. Es entsteht, wenn einem Gas weitere Energie in Form von Hitze zugeführt wird. Durch die hohen Temperaturen lösen sich die Elektronen von den Atomkernen, ein Gemisch aus freien Teilchen – positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen – entsteht. Je mehr davon im Plasma vorhanden sind, umso höher »ionisiert« ist es. Der Ionisierungsgrad des Plasmas kann von 1 bis 100 % reichen.


Wo findet man Plasma?
Plasmen kommen im gesamten Universum sehr häufig vor: Wie die meisten Sterne besteht auch unsere Sonne und die sie umgebende, Millionen Grad heisse Korona, aus Plasma, und auch Gasnebel sowie der interstellare Raum bestehen zum grossen Teil aus Plasma. Natürliches Plasma gibt es auch auf der Erde – und tritt da ganz schön spektakulär auf, zum Beispiel als Nordlicht oder Gewitterblitz. Ein solcher kann mit seinen Temperaturen bis zu 30 000 °C die Erdatmosphäre lokal so weit erhitzen, dass sich ihre Atome aufspalten, und wir das entstehende Plasma als leuchtenden Blitz sehen.

Wie die anderen Aggregatzustände nutzt der Mensch auch die Kraft des Plasmas für eine Reihe technischer Anwendungen. Dafür muss es jedoch künstlich erzeugt werden. Die dafür nötige Energie wird meist durch ein elektrisch geladenes Gas oder starke Laserstrahlen zugeführt.


Wofür wird Plasma verwendet?
Plasmen sind sehr unterschiedlich beschaffen. Allen gemeinsam ist: sie sind elektrisch leitfähig und lassen sich magnetisch beeinflussen. Durch die verschiedenen Ausprägungen lassen sie sich für viele Entwicklungen und Vorgänge nutzen – unter anderem für Energiespar- und Leuchtstofflampen, in Plasmabildschirmen, zur Desinfektion von medizinischen Instrumenten und selbst zur Kernfusion in Reaktoren.

Oerlikon Balzers und Oerlikon Metco nutzen Plasma für die Oberflächenbeschichtung. »Naturwissenschaftlich gesehen beschäftigen wir uns mit dem Gleichen – mit der Plasmaforschung. Doch was die Anwendungen betrifft, bewegen wir uns an den beiden Enden des Plasma-Spektrums «, sind sich die beiden Materialwissenschaftler Alessandro Zedda (Oerlikon Balzers) und Alexander Barth (Oerlikon Metco) einig.


Atmosphärisches Plasmaspritzen: hoher Druck und hohe Dichte
Bei den meisten thermischen Spritzverfahren wird unter normalem Atmosphärendruck gearbeitet. Das Material für die Beschichtung wird in Form von Pulverpartikeln, die meist im Grössenbereich von 10 bis 100 µ m liegen, in einem engen Plasmastrahl (Ø 6–10 mm) geschmolzen und auf die zu beschichtende Oberfläche aufgespritzt. Die Temperatur des Plasmas kann dabei bis zu 20 000 °C erreichen – so heiss wie die Sonne! So kann jegliches Material geschmolzen werden. Durch präzises Austarieren der Plasma- und Materialeigenschaften werden die Partikel auf ihre ideale Temperatur und Geschwindigkeit gebracht, um ein optimales Beschichtungsergebnis zu erreichen.

Das Plasma wird in einem Plasmagenerator erzeugt. Dieser besteht aus einer schmalen Düse oder Anode, durch die kontinuierlich Gas strömt, und einer Elektrode oder Kathode, die konzentrisch in der Düse angeordnet ist. Die positiv geladene Düse und die negativ geladene Elektrode bilden ein elektrisches Paar, wodurch das strömende Gas ionisiert und in ein Plasma umgewandelt wird. Das Ausgangsmaterial für die Beschichtung wird dann in das Plasma injiziert, wo es schmilzt und auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert wird.

»Plasma ist sehr effizient, um diese hohe Hitze zu erzeugen, denn die gesamte elektrische Leistung wird in Wärme umgewandelt. Wir kooperieren bei der Plasmabeschichtungsforschung mit Partnern und Universitäten, und die Erkenntnisse fliessen laufend in neue Produkte von Oerlikon Metco ein«, erklärt Alexander Barth.

Aggregate state change

PVD-Beschichtungen: niedriger Druck und geringe Dichte
Für hochwertige, hauchdünne PVD-Schichten wird das Plasma durch Verdampfen von Atomen aus einem metallischen »Target« erzeugt. Dabei trennen sich die Elektronen von den Atomen, und Ionen bilden sich. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung werden diese Ionen vom Substrat, das beschichtet werden soll (ein Bauteil oder ein Werkzeug), angezogen. Sie treffen mit hoher Energie darauf auf, diffundieren auf seiner Oberfläche und verbinden sich untereinander zu einer sehr dünnen, dichten Beschichtung. Um zu verhindern, dass sie während ihrer »Reise« mit Luftmolekülen kollidieren, geschieht all dies in einem Hochvakuum.

Um das Plasma zu erzeugen ist eine grosse Menge an Energie in Form von Hochspannung mit mehreren hundert Volt nötig. Nicht nur die Wahl des Target-Materials, sondern auch die Spannung und die Energie des Plasmas beeinflussen die Beschichtung. »Für die Qualität und das Ergebnis der Beschichtung ist daher das Design der Plasmaquellen sehr wichtig. Wir bei Oerlikon Balzers forschen ständig daran, sowohl die Plasmaquellen als auch das Endergebnis, die Schichten, zu verbessern«, erklärt Alessandro Zedda.

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