Ultrahochraten-Plasmabeschichtung zur Verbesserung der Oberflächenfunktion

Ein Forschungsteam der Toyohashi University of Technology unter der Leitung von Dozent Toru Harigai hat eine Ultrahochgeschwindigkeits-Beschichtungstechnologie für funktionelle Hartkohlenstofffilme unter Verwendung von Vakuumplasma entwickelt. Als Schutzfolien mit Gleitflächen werden funktionelle Hartkohlefolien mit niedrigem Reibungskoeffizienten eingesetzt. Diese Technologie hat eine um mehr als eine Größenordnung schnellere Filmabscheidungsrate erreicht als bestehende Beschichtungstechnologien, während der gleiche Grad an Filmqualität beibehalten wird. Es ist zu erwarten, dass die Technologie, die mithilfe eines einzigartigen Gasinjektionsverfahrens und einer einfachen Gerätekonfiguration eingeführt werden kann, zur Verbesserung der funktionalen Leistung von Allzweckprodukten und anderen Massenprodukten eingesetzt wird.

Einzelheiten

Diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) ist ein hartes Kohlenstofffilmmaterial mit verschiedenen Funktionen wie hoher Biokompatibilität und Sauerstoffundurchlässigkeit. Es wird häufig in Gleitteilen von Werkzeugen und Automobilen verwendet, insbesondere als funktionelles Schutzbeschichtungsmaterial, das die Oberfläche des Grundmaterials schützt und dem Grundmaterial aufgrund seines niedrigen Reibungskoeffizienten gleichzeitig Gleiteigenschaften (Glätte) verleiht. Dieser harte Kohlenstofffilm kann nur durch Vakuum-Plasma-Technologie synthetisiert werden. Da die Abscheidungsrate für bestehende Technologien einige hundert nm/min beträgt, gibt es nur wenige Vorteile in Bezug auf die Kosteneffizienz, die auf Massenprodukte angewendet werden können, und sie wurden hauptsächlich auf Produkte mit hohem Mehrwert angewendet. Da es außerdem im Wesentlichen einen Kompromiss zwischen der Härte des Films und der Abscheidungsrate gibt, ist die Entwicklung von Technologien, die die Abscheidungsrate verbessern, während die Härte (Qualität) von Filmen beibehalten wird, vom Standpunkt der Anwendungstechnik wünschenswert.

Das Forschungsteam schlug ein einzigartiges Gasinjektionsverfahren vor, bei dem zwei Arten von Gas in Strahlform ausgestoßen und im Vakuum gemischt wurden, und erzielte eine Ultrahochgeschwindigkeitsfilmbildung für harte Kohlenstofffilme, die die Abscheidungsrate für bestehende Techniken um mehr als übertraf eine Größenordnung, mit einer Plasmaabscheidungsvorrichtung, die dieses Gasinjektionsverfahren verwendet. Durch das Erreichen einer Filmbildung mit ultrahoher Geschwindigkeit durch dieses Gasinjektionsverfahren hat das Team die Notwendigkeit beseitigt, eine komplexe Entladungselektrode in oder um das zu beschichtende Objekt herum zu bilden, so dass erwartet werden kann, dass es als äußerst vielseitiges Verfahren eingesetzt werden kann auf eine Vielzahl von Materialien und Formen angewendet werden.

Entwicklungshintergrund

In den Anfangsstadien der Forschung traten aufgrund der Erzeugungsposition und -ausdehnung des Plasmas und den gewünschten Ergebnissen der Hartfilmbildung Probleme wie das Anhaften von Kohlenstofffilmen an unbeabsichtigten Stellen und Verstopfen des Abgassystems aufgrund großer Staubmengen auf und verbesserte Abscheidungsgeschwindigkeit wurden nicht erhalten. Durch mehrere Verbesserungen an der Ausrüstung auf der Grundlage der durch Versuch und Irrtum gewonnenen Erkenntnisse wurde schließlich durch Plasmaerzeugung unter Verwendung der einzigartigen Gasinjektionsmethode des Teams eine Filmbildung mit ultrahoher Geschwindigkeit erreicht, die eine Geschwindigkeit von 2 μm/min überstieg. Diese Technologie basiert auf der Kombination von Gasen und wohlbekannten bestehenden Techniken zur Bildung von Plasma, das die Grundlage für die Filmbildung bildet. Durch die Kombination dieser Techniken und die Schaffung einer Umgebung, die sich lokal stark von den bestehenden Methoden unterscheidet, konnte das Team neue Ergebnisse erzielen, die den Kompromiss zwischen Filmhärte und Abscheidungsgeschwindigkeit auflösten, der bisher allgemein üblich war.

Zukunftsausblick

Das Forschungsteam plant, die Größe des Hochgeschwindigkeitsabscheidungsbereichs für die praktische Anwendung von Geräten, die diese Technologie nutzen, zu erweitern. Sie glauben, dass durch weitere Forschung und Entwicklung auch die Beschichtung von zylindrischen Innenwänden und komplexen Strukturen möglich wird. In Zukunft hoffen sie auf eine weit verbreitete Akzeptanz dieser neuen Beschichtungstechnologie und einen Beitrag zur Schaffung einer Gesellschaft, die zu einer nachhaltigen Entwicklung fähig ist, indem sie den Energieverbrauch durch die Nutzung der hervorragenden Gleiteigenschaften von Hartkohlenstofffilmen verbessern.

Die Studie wurde veröffentlicht in Japanisches Journal für angewandte Physik.