Ausgangslage
Das Teilprojekt adressiert die plasmachemische und thermische Desoxidation von Werkstoffoberflächen für deren Anwendung in der sauerstofffreien Produktion. Die grundlegende Erforschung und technische Implementierung von Desoxidationsprozessen ermöglicht die Verwendung von oxidschichtfreien Halbzeugen, vor allem in den Teilprojekten A01 bis A05 sowie C03 und dem für die zweite Förderperiode geplanten Transferprojekt T01. Sowohl die Desoxidation als auch die nachfolgende Verarbeitung der Halbzeuge finden in sauerstofffreier Umgebung in Argon-Silan statt. Das Teilprojekt ermöglicht damit anderen Teilprojekten den Ausschluss störender Oxidschichten in Produktionsprozessen.
In der ersten Förderperiode des Sonderforschungsbereichs (SFB) wurden reine Metalle, u.a. Kupfer und Eisen, in drei verschiedenen Atmosphären aus Argon (Ar), Argon-Silan (Ar/SiH4) und Argon-Wasserstoff (Ar/H2) plasmachemisch und thermisch behandelt. Eines der Hauptziele des Teilprojekts war die Untersuchung des Desoxidationseffekts des nichtthermischen Plasmas durch Zugabe von Silan in Argon. Die gewonnenen Desoxidationsergebnisse für Argon und Argon-Silan wurden mit Desoxidationsexperimenten in einer anderen reduzierenden Atmosphäre aus Argon-Wasserstoff verglichen. Allgemein wurde beobachtet, dass die Zugabe von Silan oder Wasserstoff zu Argon die Desoxidationswirkung des Argonplasmas signifikant verbessert, so dass beispielsweise für Kupfer eine nahezu vollständige Plasmadesoxidation ohne thermischen Einfluss innerhalb weniger Sekunden erreicht wurde.
Eisenoberflächen können durch eine Kombination aus nichtthermischem Plasma und Erwärmung auf 200–300 °C nahezu vollständig desoxidiert werden. Es zeigte sich, dass bei diesen Temperaturen und den Betriebsparametern der dielektrischen Barriereentladung (DBD) andere Metalle wie z.B. Aluminium oder Titan nicht vollständig desoxidiert werden können. Die Ergebnisse des Projekts weisen also darauf hin, dass eine nichtthermische Plasma-Desoxidation von Kupfer oder Eisen in der XHV-adäquaten Atmosphäre erfolgreich durchgeführt werden kann. Das thermisch schwach unterstützte Plasma-Desoxidationsverfahren ist demzufolge eine effektive Desoxidationstechnik, die problemlos in die anderen Bearbeitungsverfahren in der XHV-adäquate Atmosphäre eingeführt werden kann.
Ziele
Aufbauend auf den Erfolgen bei der Desoxidation von Kupfer und Eisen in der ersten Förderperiode ist die Erweiterung des Werkstoffspektrums auf praxisnahe Stähle und ausgewählte Nichteisenmetall-Legierungen das übergeordnete Forschungsziel in der zweiten Förderperiode. Durch die Variation der Betriebsparameter des Plasmas und einer Kombination von thermischer und plasmachemischer Desoxidation soll die Möglichkeit geschaffen werden, Oxidschichten von bisher in der DBD nicht oder nur eingeschränkt desoxidierbaren Werkstoffen zu entfernen. Im Hinblick auf eine spätere Integration der Desoxidation in die jeweilige Prozesskette wird ein Konzept für eine kombinierte Desoxidationsanlage entwickelt und qualifiziert. Darauf aufbauend wird ein Demonstrator im Labormaßstab aufgebaut und getestet. Darüber hinaus sind Neu- und Weiterentwicklungen der Desoxidationsmodule für andere Teilprojekte des SFB Bestandteil der Arbeiten im Projekt. Ein Beispiel hierfür ist eine Anlage zur Plasmadesoxidation von Einlegeteilen für Verbundguss und Schichttransplantation im Niederdruckgussprozess, die gemeinsam mit dem Teilprojekt A01 konzipiert und aufgebaut wird.
Veröffentlichungen
Zeitschriftenbeiträge, begutachtet
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(2024): Advancing DBD Plasma Chemistry: Insights into Reactive Nitrogen Species such as NO2, N2O5, and N2O Optimization and Species Reactivity through Experiments and MD Simulations, Environmental science & technology 58, pp. 16087–16099
DOI: 10.1021/acs.est.4c04894 -
(2023): Atmospheric Non-thermal Plasma Reduction of Natively Oxidized Iron Surfaces, Plasma Chemistry and Plasma Processing
DOI: 10.1007/s11090-023-10346-7 -
(2023): Oxygen‐Free Production—From Vision to Application, Advanced Engineering Materials
DOI: 10.1002/adem.202201819 -
(2022): Reduction of copper surface oxide using a sub-atmospheric dielectric barrier discharge plasma, Applied Surface Science 573, p. 151568
DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.151568 -
(2022): Dielectric Barrier Discharge Plasma Deoxidation of Copper Surfaces in an Ar/SiH4 Atmosphere, Plasma Chemistry and Plasma Processing
DOI: 10.1007/s11090-022-10268-w
Dissertationen
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(2024): Non-thermal plasma deoxidation of copper and iron surfaces: process efficiency and mechanisms, Dissertation, Technische Universität Clausthal 2024
ISBN: 978-3-8440-9623-1
Konferenzbeiträge, nicht begutachtet
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(2023): Reduction of metal surface oxides using an atmospheric dielectric barrier discharge plasma and investigation of deoxidation mechanisms, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
ISBN: 978-3-8440-9105-2 -
(2021): Investigation of deoxidation mechanisms on Cu surfaces in a dielectric barrier discharge plasma, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag, pp. 860–872
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(2021): Low temperature plasma deoxidation of copper surfaces, Giruzzi, G., Arnas, C., Borba, D., Gopal, A., Lebedev, S., Mantsinen, M. (Hg.): 47th EPS Conference on Plasma Physics, EPS 2021: European Physical Society
ISBN: 979-10-96389-13-1
Verschiedenes
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(2022): Dielectric barrier discharge plasma reduction of iron oxides (Poster), Plasma Processing and Technology International Conference 2022, Barcelona 27.04.-29.04.2022
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(2022): Dielectric barrier discharge plasma deoxidation of copper and iron surfaces (Poster), 2022 IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS).
DOI: 10.1109/ICOPS45751.2022.9813324
Teilprojektleiter
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38678 Clausthal-Zellerfeld
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Teilprojektbearbeiterin
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