Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Strukturierte, galvanisch abgeschiedene Aluminiumschicht.
Ein neuer Ansatz zur galvanischen Abscheidung von Aluminium
Aluminium ist in der technischen Welt ein beliebtes Material mit vielen positiven Eigenschaften. So bietet es nicht nur sehr guten Korrosionsschutz, sondern zeichnet sich auch durch gute elektrische Eigenschaften und ein hohes Reflexionsvermögen aus. Das Anwendungsspektrum ist dementsprechend vielfältig: Vom Einsatz als Folie im Lebensmittelbereich über zahlreiche Bauteile im Sanitärbereich bis hin zu optischen Anwendungen ist Aluminium das Material der Wahl.
Querschliff einer Aluminiumschicht auf Kupfer im Rasterelektronenmikroskop.
Aluminiumschichten
Während sich massives Aluminium z.B. mit Guss- oder Schmiedeverfahren hervorragend herstellen und bearbeiten lässt, sind die Prozesse zur Abscheidung von Aluminiumschichten begrenzt. In den meisten Fällen werden dazu Vakuumverfahren wie Verdampfen oder Sputtern, d.h. Verfahren zur physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD, physical vapor deposition) eingesetzt. Die bei anderen Metallen, wie Kupfer, Nickel oder Chrom bekannten galvanischen Verfahren zur Abscheidung aus wässrigen Medien sind für Aluminium nicht geeignet, da dieses Material elektrochemisch unedler ist.
Eine Aluminiumabscheidung aus organischen Lösungsmitteln hingegen wurde bereits erfolgreich bis zur technischen Umsetzbarkeit entwickelt. Da die Lösungsmittel brennbar sind, müssen jedoch aufwändige Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Eine Alternative, an deren Entwicklung das Fraunhofer IST beteiligt war, ist die galvanische Abscheidung von Aluminium aus sogenannten ionischen Flüssigkeiten, das sind Salze, von denen einige bei Raumtemperatur flüssig sind. Sie sind nicht brennbar und nach dem heutigen Wissensstand auch nicht toxisch. Allerdings haben sie ebenfalls erhebliche Nachteile: Sie sind stark hygroskopisch (wasseranziehend) und müssen daher mit erheblichem Aufwand vor Luftfeuchtigkeit geschützt werden. Ein weiterer bedeutender Nachteil ist ihr noch sehr hoher Preis.
Ein neuer Ansatz
Ein neuer Ansatz des Fraunhofer IST für die Entwicklung eines sicheren wirtschaftlichen Prozesses zur Aluminiumbeschichtung ist die galvanische Abscheidung von Aluminium aus sogenannten stark eutektischen Lösungsmitteln. Dabei handelt es sich um eutektische Salzschmelzen, deren Schmelzpunkte nahe der Raumtemperatur liegen. Im Falle der Aluminiumabscheidung besteht die Salzschmelze aus einer Mischung aus Aluminiumchlorid und Dimethylsulfon (AlCl3 / DMSO2). Im Gegensatz zu ionischen Flüssigkeiten ist DMSO2 ein sehr günstiger Stoff, der unter anderem auch als Zusatzstoff für Lebensmittel verwendet wird. Das eutektische Gemisch ist, ebenso wie die ionischen Flüssigkeiten, nicht brennbar, aber auch stark hygroskopisch, so dass es ebenfalls nur unter Ausschluss von Luftfeuchtigkeit verwendet werden kann. Die ersten Versuche am Fraunhofer IST sind vielversprechend: Es konnten erfolgreich dichte, gut haftende Aluminiumschichten mit einer Schichtdicke von mehr als 30 µm hergestellt werden.
Ausblick
Um den Prozess für einen industriellen Einsatz zu qualifizieren, muss er »einfacher« werden, d. h. er muss auch ohne den Schutz einer Glovebox funktionieren. Eine der größten Herausforderungen ist darüber hinaus die Gestaltung des Übergangs von einer wässrigen Vorbehandlung, d.h. Reinigung und Aktivierung zu einer nichtwässrigen Schichtabscheidung, ohne dass es in der Zwischenzeit zu einer erneuten Passivierung kommt.
Dieser Beitrag ist Teil des Jahresberichts 2018.