Die Oberflächenmodifizierung mittels Plasma bei Atmosphärendruck ist eine bekannte und etablierte Technologie. Sie gewinnt aktuell aufgrund der rasant wachsenden Markt- und Entwicklungsnachfrage im Automotive- und Luftfahrttechnikbereich mit deren hohen Anforderungen an Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Leichtbau-Komposite immer mehr an Bedeutung. Forderungen, die oftmals an die eingesetzten Plasmaquellen gestellt werden, sind (a) die Behandlungsmöglichkeit großer Oberflächen bei (b) gleichzeitig variierenden Arbeitsabständen von einigen Zentimetern für die Bearbeitung fertiger Bauteilgruppen, (c) die Einsatzmöglichkeit verschiedenster Prozessgase für die Erzeugung einer Vielzahl von spezifischen funktionellen Oberflächengruppen sowie (d) die Integration der Plasmaquelle in die Prozesskette z. B. in Form der Installation an einem Roboterarm. Diese Anforderungen werden derzeit nur durch die LARGE-Plasmaquelle (Long Arc Generator), eine lineare Gleichspannungslichtbogen-Plasmaquelle, erfüllt. Mit ihr sind Flächen auf einer Breite bis zu 350 mm bei Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 100 m min-1 bearbeitbar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Einsatzgebiete der LARGE-Plasmatechnologie aufzuzeigen und sie zur Industriereife für großflächige Oberflächenmodifizierungen zu entwickeln. Dazu erfolgte eine Optimierung und Weiterentwicklung der Plasmaquelle, konkret dem Elektroden- und Gasverteilerdesign sowie der Stromversorgung. So wurde dem Stromgenerator erstmalig ein PPS-Modul (Puls-Power-Supply-Modul) zur Reglung des Stromes zugeschaltet. Mit diesem wird der Lichtbogenstrom in eine hochfrequente 20 kHz-Schwingung versetzt. Der Strom schwankt dadurch um eine Amplitude von ± 5 – 20 A. Das verhindert ein Festbrennen des Lichtbogenfußpunktes auf der Elektrode und führt so zur Stabilisierung des Lichtbogens. Durch die Plasmaquellenoptimierung und –weiterentwicklung konnte der Argonanteil vollständig reduziert und erstmals 100 % Druckluft als Plasmagas verwendet werden. Um das Potenzial der LARGE-Plasmaquelle für die großflächige Oberflächenmodifizierung zu demonstrieren, wurden vier konkrete Anwendungen aus der Industrie ausgewählt. So wurden zum einen zwei Beispiele aus der Luftfahrttechnik zum strukturellen Kleben mit epoxidharzbasiertem Klebstoffsystem betrachtet und systematisch untersucht: die SiO2-Schichtabscheidung zur Verbesserung der Haftung der Titanlegierungen Ti-6Al-4V und Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al und die Plasmabehandlung von CFK zur Umwandlung von silikonbasierten Trennmittelrückständen zur Verbesserung der Adhäsion beim Kleben. Es konnte gezeigt werden, dass mit der LARGE-Plasmatechnologie zwei Materialgruppen erfolgreich plasmabehandelt werden können. Damit ist sie derzeit das einzige Plasmaverfahren bei Atmosphärendruck, mit dem SiO2-Haftvermittlerschichten auf Titanlegierungen sowie eine Trennmittelmodifizierung auf CFK-Oberflächen mit einem variablen Arbeitsbereich von 2 - 6 cm erfolgreich abgeschieden bzw. umgewandelt werden können. Zum anderen wurden zwei Beispiele aus dem Automotivbereich untersucht und der erfolgreiche Einsatz der LARGE-Plasmatechnologie demonstriert: die Plasmafunktionalisierung von Polypropylen zur Verbesserung der Adhäsion von wasserbasierten Lacken sowie die Plasmafeinreinigung und Entfettung von Aluminium. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit zur großflächigen Atmosphärendruck-Oberflächenmodifizierung wurde ein Mobiler LARGE für den Einsatz vor Ort aufgebaut. Mit ihm wird die Marktreife und Konkurrenzfähigkeit dieser Plasmaquelle demonstriert.

Die Oberflächenmodifizierung mittels Plasma bei Atmosphärendruck ist eine bekannte und etablierte Technologie. Sie gewinnt aktuell aufgrund der rasant wachsenden Markt- und Entwicklungsnachfrage im Automotive- und Luftfahrttechnikbereich mit deren hohen Anforderungen an Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Leichtbau-Komposite immer mehr an Bedeutung. Forderungen, die oftmals an die eingesetzten Plasmaquellen gestellt werden, sind (a) die Behandlungsmöglichkeit großer Oberflächen bei (b) gleichzeitig variierenden Arbeitsabständen von einigen Zentimetern für die Bearbeitung fertiger Bauteilgruppen, (c) die Einsatzmöglichkeit verschiedenster Prozessgase für die Erzeugung einer Vielzahl von spezifischen funktionellen Oberflächengruppen sowie (d) die Integration der Plasmaquelle in die Prozesskette z. B. in Form der Installation an einem Roboterarm. Diese Anforderungen werden derzeit nur durch die LARGE-Plasmaquelle (Long Arc Generator), eine lineare Gleichspannungslichtbogen-Plasmaquelle, erfüllt. Mit ihr sind Flächen auf einer Breite bis zu 350 mm bei Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 100 m min-1 bearbeitbar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Einsatzgebiete der LARGE-Plasmatechnologie aufzuzeigen und sie zur Industriereife für großflächige Oberflächenmodifizierungen zu entwickeln. Dazu erfolgte eine Optimierung und Weiterentwicklung der Plasmaquelle, konkret dem Elektroden- und Gasverteilerdesign sowie der Stromversorgung. So wurde dem Stromgenerator erstmalig ein PPS-Modul (Puls-Power-Supply-Modul) zur Reglung des Stromes zugeschaltet. Mit diesem wird der Lichtbogenstrom in eine hochfrequente 20 kHz-Schwingung versetzt. Der Strom schwankt dadurch um eine Amplitude von ± 5 – 20 A. Das verhindert ein Festbrennen des Lichtbogenfußpunktes auf der Elektrode und führt so zur Stabilisierung des Lichtbogens. Durch die Plasmaquellenoptimierung und –weiterentwicklung konnte der Argonanteil vollständig reduziert und erstmals 100 % Druckluft als Plasmagas verwendet werden. Um das Potenzial der LARGE-Plasmaquelle für die großflächige Oberflächenmodifizierung zu demonstrieren, wurden vier konkrete Anwendungen aus der Industrie ausgewählt. So wurden zum einen zwei Beispiele aus der Luftfahrttechnik zum strukturellen Kleben mit epoxidharzbasiertem Klebstoffsystem betrachtet und systematisch untersucht: die SiO2-Schichtabscheidung zur Verbesserung der Haftung der Titanlegierungen Ti-6Al-4V und Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al und die Plasmabehandlung von CFK zur Umwandlung von silikonbasierten Trennmittelrückständen zur Verbesserung der Adhäsion beim Kleben. Es konnte gezeigt werden, dass mit der LARGE-Plasmatechnologie zwei Materialgruppen erfolgreich plasmabehandelt werden können. Damit ist sie derzeit das einzige Plasmaverfahren bei Atmosphärendruck, mit dem SiO2-Haftvermittlerschichten auf Titanlegierungen sowie eine Trennmittelmodifizierung auf CFK-Oberflächen mit einem variablen Arbeitsbereich von 2 - 6 cm erfolgreich abgeschieden bzw. umgewandelt werden können. Zum anderen wurden zwei Beispiele aus dem Automotivbereich untersucht und der erfolgreiche Einsatz der LARGE-Plasmatechnologie demonstriert: die Plasmafunktionalisierung von Polypropylen zur Verbesserung der Adhäsion von wasserbasierten Lacken sowie die Plasmafeinreinigung und Entfettung von Aluminium. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit zur großflächigen Atmosphärendruck-Oberflächenmodifizierung wurde ein Mobiler LARGE für den Einsatz vor Ort aufgebaut. Mit ihm wird die Marktreife und Konkurrenzfähigkeit dieser Plasmaquelle demonstriert.

Ellipsometrische Untersuchungen an Plasmapolymeren und plasmamodifizierten Polymeroberflächen Abstrakt Im Mittelpunkt der Arbeit stehen zwei Prozesse, die auf der komplexen Wechselwirkung zwischen einem Niedertemperaturplasma und der dem Plasma ausgesetzten Festkoerperoberflaeche beruhen: Plasmamodifizierung und Plasmapolymerisation. Mit dem zerstoerungsfreien, optischen Messverfahren der Ellipsometrie koennen Veraenderungen der makroskopischen optischen Eigenschaften infolge der Plasmaeinwirkung nachgewiesen werden und so Rueckschluesse auf die Wechselwirkungsprozesse gezogen werden. Dazu dienen ex situ Spektralellipsometrie (Wellenlaenge = 300 - 800 nm), Ellipsometrie bei der Anregung von Oberflaechenplasmonen und in situ Ellipsometrie (Wellenlaenge = 632,8 nm), die mit Methoden der Strukturaufklaerung (XPS, SIMS, FTIR) kombiniert werden. Bei der Plasmamodifizierung von Polyethylen und Polystyren im CF4 und O2 Plasma kommt es durch den Eintrag neuer funktioneller Gruppen, durch Vernetzung und Aktivierung zu chemischen und morphologischen Veraenderungen in einer duennen Oberflaechenschicht, die sich in einem veraenderten Brechungsindex aeussern. Eine Erklaerung fuer die beobachteten Aenderungen ist ueber die molaren Polarisierbarkeiten der neuen funktionellen Gruppen moeglich. Die Untersuchungsergebnisse zum Tiefenbereich der Modifizierung sind qualitativ in guter Uebereinstimmung mit den Eindringtiefen der verschiedenen Plasmaspezies. Bei der Abscheidung duenner Plasmapolymerschichten dienen in situ und ex situ durchgefuehrte ellipsometrische Messungen der Aufklaerung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Eine deutliche Abhaengigkeit des Brechungsindex von HMDSO-Plasmapolymerschichten vom spezifischen Energieeintrag ins aktive Plasmavolumen wird gefunden und modelliert. Durch nichtstationaere Prozessfuehrung gelingt die Herstellung von Plasmapolymerschichten mit einem Brechungsindex-Tiefenprofil.

Ellipsometrische Untersuchungen an Plasmapolymeren und plasmamodifizierten Polymeroberflächen Abstrakt Im Mittelpunkt der Arbeit stehen zwei Prozesse, die auf der komplexen Wechselwirkung zwischen einem Niedertemperaturplasma und der dem Plasma ausgesetzten Festkoerperoberflaeche beruhen: Plasmamodifizierung und Plasmapolymerisation. Mit dem zerstoerungsfreien, optischen Messverfahren der Ellipsometrie koennen Veraenderungen der makroskopischen optischen Eigenschaften infolge der Plasmaeinwirkung nachgewiesen werden und so Rueckschluesse auf die Wechselwirkungsprozesse gezogen werden. Dazu dienen ex situ Spektralellipsometrie (Wellenlaenge = 300 - 800 nm), Ellipsometrie bei der Anregung von Oberflaechenplasmonen und in situ Ellipsometrie (Wellenlaenge = 632,8 nm), die mit Methoden der Strukturaufklaerung (XPS, SIMS, FTIR) kombiniert werden. Bei der Plasmamodifizierung von Polyethylen und Polystyren im CF4 und O2 Plasma kommt es durch den Eintrag neuer funktioneller Gruppen, durch Vernetzung und Aktivierung zu chemischen und morphologischen Veraenderungen in einer duennen Oberflaechenschicht, die sich in einem veraenderten Brechungsindex aeussern. Eine Erklaerung fuer die beobachteten Aenderungen ist ueber die molaren Polarisierbarkeiten der neuen funktionellen Gruppen moeglich. Die Untersuchungsergebnisse zum Tiefenbereich der Modifizierung sind qualitativ in guter Uebereinstimmung mit den Eindringtiefen der verschiedenen Plasmaspezies. Bei der Abscheidung duenner Plasmapolymerschichten dienen in situ und ex situ durchgefuehrte ellipsometrische Messungen der Aufklaerung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Eine deutliche Abhaengigkeit des Brechungsindex von HMDSO-Plasmapolymerschichten vom spezifischen Energieeintrag ins aktive Plasmavolumen wird gefunden und modelliert. Durch nichtstationaere Prozessfuehrung gelingt die Herstellung von Plasmapolymerschichten mit einem Brechungsindex-Tiefenprofil.