Laser CVD - Status und industrielles Potential für Faserbeschichtungen

Lasergestützte chemische Gasphasen-Beschichtungsverfahren (Laser-CVD) werden im Labormaßstab in unterschiedlicher Weise realisiert: (a) zur flächigen Beschichtung temperaturempfindlicher Substrate (Parallelstrahl -Konfiguration, (b) zur Beschichtung geometrisch komplizierter Substrate, wie Fasern und Pulver, (c) zur Direktstrukturierung von Wafern, (d) zum CAD gesteuerten Aufbau dreidimensionaler, freitragender Mikrostrukturen, sowie (e) zur Erzeugung engtolerierter Nano-Pulver für hochfeste Keramiken. Zu einigen der genannten Verfahren sind zwischenzeitlich Prototypentwicklungen zur Bewertung des industriellen Potenzials in Arbeit. Das betrifft u. a. das Gebiet der Hochratebeschichtung von keramischen Fasern (aus Kohlenstoff, SiC, o. ä.) zur Herstellung schädigungstoleranter, faserverstärkter Verbundwerkstoffe über das hier zusammenfassend berichtet wird. Zur Kontrolle der Interfacereaktionen müssen die als Endlosmaterial in Bündeln vorliegenden Fasern vor der Matrixeinbettung allseit ig mit keramischen Schichten aus Graphit, h-BN, TiB2, SiC, u. ä. Materialien versehen werden. Basierend auf einem 6kW CO2-Industrielaser wurde ein kontinuierliches Luft-zu-Luft Laser-CVD Verfahren bei Atmosphärendruck realisiert. Aufgrund der extrem hohen Depositionsraten (> 1 m/s) beträgt die Beschichtungszeit nur ca. 0.1 s, so dass auch thermisch empfindlichere Fasermaterialien beschichtet werden können. Der im Fraunhofer IWS aufgebaute Prototypreaktor ist mit einem in-situ FTIR-Sensor zur Überwachung der CVD-Prozesschemie versehen und wurde unter Nutzung thermofluiddynamischer Modellrechnungen erstellt. Anhand einer Kostenverteilung wird die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beurteilt.

Laser activated CVD can be applied in different ways: (i) wide area coating having the potential of continuously coating temperature sensitive substrates (parallel beam), (ii) coating on shaped parts, e. g. fibres, (iii) micro structuring/ patterning, e. g. for rapid prototyping or repair of wafers, (iv) build-up of 3-dimensional microstructures on substrates under for designing/making microsystems, (v) forming nano-powders with narrow size distribution, e. g. for advanced ceramics. Evaluation of the industrial potential of the most prospective developments is underway. One of these areas being covered more in detail comprises high speed coating of fibers. The fibres are used for manufacturing damage-tolerant fiber reinforced ceramic composites. Based on a industrial 6 kW cw-CO2 laser, an atmospheric pressure laser CVD process has been established which performs continuous coating of fiber bundles. The laser CVD method is characterized by several significant advantages, among them deposition rates of typically > 1 m/s, small volume cold-wall reactors, and short residence time of the fibers in the deposition chamber, which avoids fiber degradation. As another feature favoring industrial application, the process can be performed at atmospheric pre ssure in an open reactor with a continuous air-to-air coiling of the fiber bundles. The prototype laser CVD reactor established at Fraunhofer Institute is equipped with in-situ FTIR sensorics for process monitoring and chemistry control. Cost distribution analysis is used for making preliminary efficiency assessment of the innovative coating process.