Mittels thermischer Plasmen werden Hartstoffschichten auf der Basis von Silicium - SiC, Si3N4 sowie ternäre Si-C-N Verbindungen, aus flüssigen Single Precursoren synthetisiert. Durch die hohen Abscheideraten von bis zu 1.500 µm/h wird das hohe Potenzial der Beschichtungswerkstoffe für den Schutz von Bauteilen, die starken Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen insbesondere bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bei wirtschaftlich interessanten Prozesszeiten nutzbar. Der Einfluss der Precursorstruktur und der Prozessführung auf die Mikrostruktur der Schichten sowie die Abscheiderate wird systematisch erarbeitet. Zur Schichtcharakterisierung kommen Lichtmikroskopie, REM, EDX, XRD und im Fall röntgenamorpher Schichten FTIR zum Einsatz. Das Verwenden unterschiedlicher thermischer Plasmen erlaubt das Einstellen eines weiten Prozessfeldes. Mit Hilfe von Enthalpiesonden Messungen werden die Einflüsse der Maschinenparameter auf den Prozesszustand untersucht. Die Ergebnisse sind in einer Prozess - Gefügekarte zusammengefasst. Da das Gefüge der Schichten die Eigenschaften im Einsatz bedingt, bieten diese Arbeiten die Grundlage für das reproduzierbare Herstellen von Schichten mit angepassten Eigenschaften. Über die emissionsspektroskopischen Analysen zu den plasmachemischen Reaktionen gelingt es, die Schichtabscheidemechanismen in Abhängigkeit von den Prozessparametern zu klären und einen Ansatz für eine online Prozesskontrolle zu erarbeiten.

Während die Wasserdissoziation mit der Hilfe von Gleichstrom (Wasser-Elektrolyse) einen gut untersuchten Prozess darstellt, war der Mechanismus der Wasserdissoziation durch Einwirkung hochfrequenter (HF) elektromagnetischer Felder als relativ neues Phänomen noch nicht vollständig aufgeklärt. Für die Realisierung der Wasserdissoziation in HF-Feldern mit einer Frequenz von 13,56 MHz wurde in dieser Arbeit ein neuartiger experimenteller Aufbau verwendet, dessen Kernstück aus einem sich zwischen zwei parallelen Elektroden befindlichen Glasreaktor, der über eine Durchmesserverjüngung verfügte, bestand. Dieser Aufbau ermöglichte die Untersuchung der wässrigen Elektrolytlösung in den drei Phasen Erwärmung, Blasenbildung und Entladung mit Gasbildung. Die messbare Gasbildungsrate wurde als ein Maß für die Intensität der Wasserdissoziation gewählt. Ihre Abhängigkeit von der HF-Spannung, der HF-Leistung, der Art des Elektrolyten, der Konzentration des Elektrolyten und dem geometrischen Aufbau des Reaktors wurden untersucht. Bei vielen Elektrolyten bestand das produzierte Gas vollständig aus Wasserstoff und Sauerstoff im molaren Verhältnis von 2 zu 1 sowie aus Wasserdampf. Für einige Elektrolyte wurden davon abweichende Verhalten hinsichtlich der Stöchiometrie beobachtet. Das im Zusammenhang mit der Wasserdissoziation emittierte Licht wurde spektroskopisch untersucht. Es konnten angeregte OH-, H- und O-Radikale nachgewiesen werden. Dieser Befund legt nahe, dass die Wasserdissoziation durch die Wechselwirkung von hochenergetischen Elektronen mit Wassermolekülen verursacht wird. Der Versuchsaufbau ermöglichte also die Ausbildung eines nicht-thermischen Plasmas in der Gasphase im Bereich der Reaktorverjüngung. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Verlauf des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Elektrolytkonzentration für den gewählten Versuchsaufbau modelliert werden. Das Erreichen der für die Initiierung von selbsterhaltenden Entladungen in Wasserdampf notwendigen Feldstärke von 2,6 MV/m wurde durch die Modellierung verifiziert. Modellrechnungen stehen im Einklang mit dem vorgeschlagenen Mechanismus der HF-Wasserdissoziation. Des Weiteren wurde das Anwendungspotenzial der Radikalbildung für den Abbau von Modellschadstoffen wie Perfluoroktansäure (PFOA) untersucht. Der Abbau perfluorierter Verbindungen, der bisher durch eine wenig effiziente thermische Totaloxidation erreicht werden kann, konnte mit dem Plasmaprozess erfolgreich demonstriert werden.

Während die Wasserdissoziation mit der Hilfe von Gleichstrom (Wasser-Elektrolyse) einen gut untersuchten Prozess darstellt, war der Mechanismus der Wasserdissoziation durch Einwirkung hochfrequenter (HF) elektromagnetischer Felder als relativ neues Phänomen noch nicht vollständig aufgeklärt. Für die Realisierung der Wasserdissoziation in HF-Feldern mit einer Frequenz von 13,56 MHz wurde in dieser Arbeit ein neuartiger experimenteller Aufbau verwendet, dessen Kernstück aus einem sich zwischen zwei parallelen Elektroden befindlichen Glasreaktor, der über eine Durchmesserverjüngung verfügte, bestand. Dieser Aufbau ermöglichte die Untersuchung der wässrigen Elektrolytlösung in den drei Phasen Erwärmung, Blasenbildung und Entladung mit Gasbildung. Die messbare Gasbildungsrate wurde als ein Maß für die Intensität der Wasserdissoziation gewählt. Ihre Abhängigkeit von der HF-Spannung, der HF-Leistung, der Art des Elektrolyten, der Konzentration des Elektrolyten und dem geometrischen Aufbau des Reaktors wurden untersucht. Bei vielen Elektrolyten bestand das produzierte Gas vollständig aus Wasserstoff und Sauerstoff im molaren Verhältnis von 2 zu 1 sowie aus Wasserdampf. Für einige Elektrolyte wurden davon abweichende Verhalten hinsichtlich der Stöchiometrie beobachtet. Das im Zusammenhang mit der Wasserdissoziation emittierte Licht wurde spektroskopisch untersucht. Es konnten angeregte OH-, H- und O-Radikale nachgewiesen werden. Dieser Befund legt nahe, dass die Wasserdissoziation durch die Wechselwirkung von hochenergetischen Elektronen mit Wassermolekülen verursacht wird. Der Versuchsaufbau ermöglichte also die Ausbildung eines nicht-thermischen Plasmas in der Gasphase im Bereich der Reaktorverjüngung. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Verlauf des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Elektrolytkonzentration für den gewählten Versuchsaufbau modelliert werden. Das Erreichen der für die Initiierung von selbsterhaltenden Entladungen in Wasserdampf notwendigen Feldstärke von 2,6 MV/m wurde durch die Modellierung verifiziert. Modellrechnungen stehen im Einklang mit dem vorgeschlagenen Mechanismus der HF-Wasserdissoziation. Des Weiteren wurde das Anwendungspotenzial der Radikalbildung für den Abbau von Modellschadstoffen wie Perfluoroktansäure (PFOA) untersucht. Der Abbau perfluorierter Verbindungen, der bisher durch eine wenig effiziente thermische Totaloxidation erreicht werden kann, konnte mit dem Plasmaprozess erfolgreich demonstriert werden.

Mittels thermischer Plasmen werden Hartstoffschichten auf der Basis von Silicium - SiC, Si3N4 sowie ternäre Si-C-N Verbindungen, aus flüssigen Single Precursoren synthetisiert. Durch die hohen Abscheideraten von bis zu 1.500 µm/h wird das hohe Potenzial der Beschichtungswerkstoffe für den Schutz von Bauteilen, die starken Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen insbesondere bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bei wirtschaftlich interessanten Prozesszeiten nutzbar. Der Einfluss der Precursorstruktur und der Prozessführung auf die Mikrostruktur der Schichten sowie die Abscheiderate wird systematisch erarbeitet. Zur Schichtcharakterisierung kommen Lichtmikroskopie, REM, EDX, XRD und im Fall röntgenamorpher Schichten FTIR zum Einsatz. Das Verwenden unterschiedlicher thermischer Plasmen erlaubt das Einstellen eines weiten Prozessfeldes. Mit Hilfe von Enthalpiesonden Messungen werden die Einflüsse der Maschinenparameter auf den Prozesszustand untersucht. Die Ergebnisse sind in einer Prozess - Gefügekarte zusammengefasst. Da das Gefüge der Schichten die Eigenschaften im Einsatz bedingt, bieten diese Arbeiten die Grundlage für das reproduzierbare Herstellen von Schichten mit angepassten Eigenschaften. Über die emissionsspektroskopischen Analysen zu den plasmachemischen Reaktionen gelingt es, die Schichtabscheidemechanismen in Abhängigkeit von den Prozessparametern zu klären und einen Ansatz für eine online Prozesskontrolle zu erarbeiten.