Teilprojekt B04 – Sonderforschungsbereich 1368: Sauerstofffreie Produktion

Ausgangslage

Klebstoffauftrag auf einem Test-Substrat © Martin Stucki, Sandra Gerland, Institut für Montagetechnik (match)

Die Fügetechnologie des Klebens nimmt in der Montagetechnik eine zunehmend wichtige Rolle ein. Im Gegensatz zu vielen anderen Fügeverfahren ermöglicht Kleben den Aufbau von Hybridstrukturen, also die Verbindung von ungleichen Werkstoffen. Die physikalischen Eigenschaften einer Klebung, die letztendlich die Festigkeit und Lebensdauer bestimmen, werden bei speziellen Klebstoffsystemen von Sauerstoff und Wasser beeinflusst. In XHV‑adäquater Atmosphäre können Metalle theoretisch ohne zwischenliegende Oxidschichten geklebt werden. Diese direkte Verbindung bietet Potenzial für eine höhere Festigkeit der Verbindung, neue Fügepartner-Klebstoff-Kombinationen und dünnere Schichtdicken. Die Abwesenheit von Sauerstoff und Feuchtigkeit in einer XHV‑adäquaten Umgebung wirkt sich somit grundlegend auf die Eigenschaften einer Klebeverbindung und den Klebeprozess aus.

Ziele

Es ist Ziel des Teilprojektes, Erkenntnisse über technische Eigenschaften von Klebeverbindungen zu gewinnen, die in XHV‑adäquater Atmosphäre und mit desoxidierten Fügepartnern hergestellt wurden. Dabei fokussiert sich die Forschung auf zwei Teilbereiche: Die Eigenschaften der Fügeverbindung selbst, wie mechanische Festigkeit oder thermische Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften werden vor allem durch die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Fügepartner bestimmt, welche in XHV‑adäquater Atmosphäre oxidfrei sein können. Der zweite Teilbereich ist die Prozessentwicklung. Da spezielle Klebstoffe wie Cyanacrylate (Sekundenklebstoff) nur mit Sauerstoff oder Wasser aushärten, kann hier die Verarbeitungsdauer über den Gehalt dieser Stoffe in der Umgebung gesteuert werden. In dem Beispiel kann ein Sekundenklebstoff also minutenlang verarbeitbar gehalten werden und dann unter Zugabe von Wasserdampf potenziell sofort aushärten.

Primär sollen Cyanacrylate und anaerobe Klebstoffe untersucht werden. Darüber hinaus wird eine weitere Auswahl an Klebstoffen getroffen, die in Reaktion mit Wasser oder Sauerstoff abbinden. Bei den Fügepartnern wird der Fokus auf Aluminium und Titan gelegt.

Die technischen Eigenschaften der Klebungen (Festigkeit etc.) werden über zerstörende Prüfverfahren ermittelt. Parallel dazu werden Methoden der Oberflächenphysik eingesetzt, um Erkenntnisse zum Adhäsionsverhalten von Klebstoffen an oxidierten und oxidfreien Fügepartnern zu gewinnen. Die Kombination der Untersuchungen auf technischer und molekularer Ebene ermöglichen es, die Wirkzusammenhänge skalenübergreifend zu verstehen. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden in ein Modell überführt, das die Auslegung von Klebeverbindungen und -prozessen in XHV‑adäquater Atmosphäre unterstützt.

Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

Gerland, S., Raatz, A. (2023): Adhesive Bonding of an Aluminum Alloy with and without an Oxide Layer in Atmospheres with Different Oxygen Contents, Applied Sciences 13, p. 547
DOI: 10.3390/app13010547
Moritz, P., Gerland, S., Wegewitz, L., Raatz, A., Maus-Friedrichs, W. (2023): Influence of different processing atmospheres on curing and adhesive strength of cyanoacrylates, International Journal of Adhesion and Adhesives 124, p. 103386
DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2023.103386
Moritz, P., Höfft, O., Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W. (2023): Interaction of Cyanoacrylate with Metal Oxide Surfaces (Cu, Al), Chemphyschem : a European journal of chemical physics and physical chemistry, e202300076
DOI: 10.1002/cphc.202300076
Moritz, P., Bürger, F., Höfft, O., Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W. (2021): Bonding Mechanism of Cyanoacrylates on SiO 2 and Au: Spectroscopic Studies of the Interface, The Journal of Physical Chemistry C 125, pp. 23409–23417
DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c06477
Moritz, P., Bürger, F., Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W. (2020): Preparation techniques of thin cyanoacrylate adhesive films for interface analysis, The Journal of Adhesion, pp. 1–16
DOI: 10.1080/00218464.2020.1866557

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

Moritz, P., Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W. (2023): Wechselwirkung von Cyanacrylaten mit Kupferoxid in verschiedenen Prozessatmosphären, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
ISBN: 978-3-8440-9105-2
Moritz, P., Bürger, F., Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W. (2021): Untersuchungen zur Adhäsion von Cyanacrylaten auf Siliziumdioxid, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag, pp. 841–851
Moritz, P., Wegewitz, L., Hoefft, O., Maus-Friedrichs, W. (2021): Adhesion mechanisms between cyanoacrylates and surfaces of Au, SiO2, Al2O3 and TiO2, In: Société Française du Vide (SFV) (Hg.): European Adhesion Conference (EURADH)

Verschiedenes

Moritz, P., Höfft, O., Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W. (2023): Interaction of cyanoacrylate thin films with copper oxide in different processing atmospheres (Vortrag), DPG-Frühjahrstagung der Sektion Kondensierte Materie, Dresden 26.03.-31.03.2023
Moritz, P., Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W. (2022): Interactions of poly(ethyl-cyanoacrylate) with surfaces of aluminium oxide and titanium oxide (Poster), Surfaces, Interfaces and Coatings Technologies International Conference 2022, Barcelona 27.04.-29.04.2022