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Dokumentenidentifikation DE4335573A1 20.04.1995
Titel CVD-Verfahren zur Beschichtung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Kohl, Eberhard, 09120 Chemnitz, DE
Erfinder Kohl, Eberhard, 09120 Chemnitz, DE
DE-Anmeldedatum 19.10.1993
DE-Aktenzeichen 4335573
Offenlegungstag 20.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.04.1995
IPC-Hauptklasse C23C 16/46
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Beschichtung von Kohlenstoffasern, elektrisch leitfähiger Drähte, bandförmiger Materialien und elektrisch leitfähig gemachter Materialien mit pyrolytischem Kohlenstoff und anderen aus der Gasphase abscheidbarer Schichten, insbesondere für den Einsatz von Schichten als Barriere- und/oder Benetzungsschichten auf Fasermaterialien, die als Verbundkomponenten für Werkstoffe vorgesehen sind. Die zu beschichtenden Materialien werden durch Widerstandserwärmung auf CVD-Prozeßtemperatur aufgeheizt. Zur Vermeidung von Funken bei der Kontaktierung ohne Hilfsstoffe wurden gesonderte Kontaktrollen entwickelt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein CVD-Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer kontinuierlichen Beschichtung von elektrisch leitfähigen oder leitfähig gemachten fadenförmiger Materialien und flächenhafte Gewirke daraus mit pyrolytischem Kohlenstoff und Hartstoffschichten. Das Substrat wird in einem offenen System unter leicht erhöhtem Druck der Beschichtungsatmosphäre durch Widerstandserwärmung auf Prozeßtemperatur gebracht.

Verfahren zur kontinuierlichen Beschichtung faserförmiger Substrate sind bekannt und beispielsweise in dem EP 0466 360 A1 beschrieben. Dort wird die elektrische Kontaktierung durch zwei Flüssigkeitskontakte (Legierung: Qecksilber/Palladium) realisiert.

Bei der Beschichtung von C-Fasern kann ein Austragen von Kontaktmaterial nicht ganz verhindert werden. In der US-PS 3 811 940 wird die Substratheizung durch Absorption von hochfrequenten elektrischen Strömen bewerkstelligt. Nachteile sind z. B. bei höherer zugeführter elektrischer Leistung die Reaktorwanderwärmung durch abgestrahlte Wärmeenergie des Substrates, die zu einer Beschichtung der Reaktorwand führen und der relativ hohe apparative Aufwand zur HF-Energieerzeugung. Das in der Patentschrift DE 41 04 591 A1 beschriebene Verfahren nutzt die indirekte Substratheizung. Diese indirekten Verfahren lassen keine Absenkung der Reaktorwandtemperatur unter die Prozeßtemperatur zu, so daß es hier ebenfalls zu Abscheidungen an der Wand kommt. Ein weiterer Nachteil ist in dem höheren Energieverbrauch der eingesetzten Wärmequellen gegenüber der direkten Substratheizung zu sehen.

Die Erfindung hat das Ziel, ein energetisch effektives Verfahren mit sparsamstem Verbrauch von Prozeßgasen zur Beschichtung aus der Gasphase unter Vermeidung der Nachteile von bisher bekannten CVD-Verfahren, wie Reaktorwandbeschichtung und "Verkleben" von Filamenten von Faserwerkstoffen (besonders bei größeren Schichtdicken) bei gleichzeitig vergleichsweise geringem gerätetechnischem Aufwand, zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung des bekannten CVD-Verfahrens (Chemical Vapour Deposition) dadurch gelöst, daß das zu beschichtende Substrat geeignet mechanisch elektrisch kontaktiert und somit durch Widerstandserwärmung auf die erforderliche Prozeßtemperatur gebracht werden kann.

Die Kontaktierung kann z. B. durch Rollen, Walzen oder auch direkt durch die Abwickel- und Aufwickelspule erfolgen.

Mit Kontaktierungen durch Rollen oder Walzen sind kleinste Funkenbildungen in der Regel nicht ohne Hilfsstoffe zu vermeiden. Daher wurden gesonderte Kontaktrollen entwickelt, die diesen Nachteil zuverlässig vermeiden. Ein Umschlingungswinkel des Substrates von z. B. 90° um diese Rollen oder Walzen wird dazu genutzt, daß die voneinander isolierten Segmente der Rollen dann zugeschaltet werden, wenn das fadenförmige Substrat bereits an dem zuschaltendem Segment anliegt. Die Abschaltung eines Segmentes erfolgt kurz vor Abhebung des fadenförmigen Substrates von diesem. Um eine kontinuierliche Kontaktierung zu sichern, sind die Segmente elektrisch in mindestens zwei Gruppen zusammengefaßt. Durch eine gezielte Erzeugung einer Fadenspannung wird eine Relativbewegung des fadenförmigen Substrates zu den Segmenten ausgeschlossen bzw. durch Hilfantriebe verhindert. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf diesen Anwendungsfall begrenzt - siehe Fig. 3.

Durch den Stromfluß stoßen sich die Filamente von Faserwerkstoffen (z. B. C-Fasern) aufgrund des sich um jede Faser bildenden Magnetfeldes ab. Der Roving "bläht" sich auf. Dadurch wird ein "Zusammenwachsen" der Filamente beim Beschichten verhindert und die Diffusion des Precursors in den Roving gefördert.

Um das Substrat zu mechanischen Schwingungen anzuregen, wird ein Magnetfeld senkrecht zu dem stromdurchflossenen Substrat angelegt. Dazu ist ein magnetisches Gleichfeld bei Wechselstromerwärmung des Rovings oder ein magnetisches Wechselfeld bei Gleichstromerwärmung des Rovings erforderlich.

Die Reaktorwand wird durch eine Luftkühlung unter der Prozeßtemperatur gehalten.

Die Ausführung der Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Kontaktierung von fadenförmigen Substraten innerhalb des Reaktors,

Fig. 2 Kontaktierung an der Auf- und Abwickelspule,

Fig. 3 Gesonderte Rolle zur Kontaktierung.

Die Anwendung der Erfindung wird in den Ausführungsbeispielen anhand der Beschichtung von Kohlenstoffasern mit pyrolytischem Kohlenstoff beschrieben.

In Fig. 1 erfolgt die Kontaktierung innerhalb des unter Prozeßtemperatur luftgekühlten Reaktors 1 durch die Rollen 2. Der Reaktor wird gegenüber der umgebenden Atmosphäre mit leichtem Überdruck gefahren, so daß durch die Schleusen 3 kein Luftsauerstoff in den Reaktor gelangt.

Die Abwickeleinrichtung 4 wird zur Erreichung eines gleichmäßigen elektrischen Übergangswiderstandes des Kontaktes mit einem gleichbleibenden mechanischen Gegenmoment abgebremst. Mit Hilfe der regelbaren Stromquelle 5 wird der Strom zur Erreichung der erforderlichen Temperatur des Rovings eingestellt. Das Trägergas (Ar) und Spülgas 6 wird in einer Waschflasche 7 mit den Precursor (z. B. Benzen) 8, der thermostatiert ist, beladen und im Gegenstrom zur Bewegung des Rovings eingeleitet. Die Aufwicklung der beschichteten Fasern erfolgt mit der Aufwickeleinrichtung 9. Die Gasschleusen 3 übernehmen gleichzeitig Führungsaufgaben, jedoch keine Kontaktierung.

In Fig. 2 des zweiten Ausführungsbeispieles erfolgt die Kontaktierung an der Ab- 4 bzw. Aufwickelspule 9. Beide Spulen befinden sich in mit Inertgas gefüllten Gehäusen 10. Die Gasschleusen 3 übernehmen ebenfalls keine Kontaktierung. Durch die Lage der Schleusen und die damit verbundene Prozeßgaseinleitung ist mit dieser Apparatur auch eine Hartstoffbeschichtung möglich, da aggressive Reaktionsprodukte von der Kontaktierung ferngehalten werden.

Eine Kombination beider Varianten hinsichtlich der Kontaktierung und Gaseinleitung ist möglich.

In Fig. 3 übernehmen die Segmente 1 die Kontaktierung des fadenförmigen Substrates 2. Der Strom wird durch die Achsen 3 zugeschaltet.

Die abgeschiedene Schicht wird in beiden Ausführungsbeispielen durch Precursortemperatur und damit des Beladungsgrades des Trägergases, der Trägergasmenge und der Fadendurchlaufzeit eingestellt.

So wurde bei einem Reaktor mit 750 mm Länge und 16 mm Durchmesser bei folgenden Prozeßparametern: Temperatur des Rovings 1150°C; Geschwindigkeit des Roving 50 m/h; Precurtemperatur (Benzen) 40°C; Trägergasmenge(Ar) 25 l/h eine Schichtdicke des abgeschiedenen pyrolytischen Kohlenstoffes von 340 nm erreicht. Der Reaktor und die Gehäuse wurden vor Prozeßbeginn mit Innertgas gespült. Die Frequenz des Wechselstromes betrug 50 Hz.

Als besondere Vorteile des Verfahrens sind zu nennen: Bei Einhaltung der Prozeßparameter ist eine sehr gute Reproduzierbarkeit gesichert. Ein "Verkleben" von Filamenten wurde selbst bei größeren Schichtdicken im Bereich 100-450 nm nicht beobachtet. Abscheidungen von Reaktionsprodukten an der luftgekühlten Reaktorwand waren selbst nach Stunden minimal und beeinflussen den Prozeß nicht. Die Temperatur der Reaktorwand betrug ca. 600°C. Der Energiebedarf liegt wesentlich unter dem der Heißwandreaktoren und der Gasverbrauch wurde minimiert. Eine Nachbehandlung der Substrate ist nicht erforderlich.


Anspruch[de]
  1. 1. CVD-Verfahren zur Beschichtung elektrisch leitender oder leitend gemachter Fasern oder bandförmigen Lagen solcher Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Lagen ein gekühltes Reaktionsgefäß durchlaufen, an dessen beiden Enden elektrisch kontaktiert und ohmisch beheizt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der Fasern oder Lagen unter Zugvorspannung derselben durch einfache Rollen erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung durch die Vorratsrollen der Fasern oder Lagen erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung durch gesonderte Kontaktrollen erfolgt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die eine Fadenführung zur bzw. von der Rolle in eine andere Richtung realisiert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung durch Rollenpaare erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorinnenwand unter die CVD-Prozeßtemperatur abgekühlt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Lagen mit Wechselstrom beheizt werden und ein senkrecht zum Stromfluß gerichtetes Gleichmagnetfeld durchlaufen.
  9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Lagen mit Gleichstrom beheizt werden und ein senkrecht zum Stromfluß gerichtetes Wechselmagnetfeld durchlaufen.
  10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktrollen im Reaktionsgefäß angeordnet sind.






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