Teilprojekt C01 – Sonderforschungsbereich 1368: Sauerstofffreie Produktion

Ausgangslage

Schematische Darstellung der geplanten Desoxidationsansätze (oben links und rechts), des projektierten Desoxidationsmoduls (mittig), sowie einiger bekannter Herausforderungen (unten)

Die Desoxidation der Oberflächen von Halbzeugen ist ein essentieller Teil bei der sauerstofffreien Fertigung und als solcher relevant insbesondere für den Projektbereich A und die Arbeit mit den desoxidierten Halbzeugen. Die Aufklärung der Mechanismen, welche eine Desoxidation vermitteln, stellt darüber hinaus eine wichtige Grundlage auch im Projektbereich B und bei der Arbeit mit oxidbehafteten Halbzeugen dar.

Als Arbeitshypothesen wird davon ausgegangen, dass die vollständige Desoxidation von Eisen und Stahl, Kupfer, Aluminium und Titan, sowie deren Legierungen möglich ist. Insbesondere besteht die Arbeitshypothese, dass mittels nicht-thermischer Plasmen bei Temperaturen unterhalb von 400 °C eine Desoxidation ohne signifikante Änderung der Mikrostruktur sowie ohne wesentliche Wasserstoffversprödung gelingen kann.

Ziele

Im Projekt werden die Mechanismen untersucht, die zur Desoxidation von Halbzeugen genutzt werden können. Es werden dabei sowohl die thermische als auch die plasmachemische Reduktion von Oxiden der für den SFB wesentlich Konstruktionswerkstoffe Eisen, Kupfer, Aluminium und Titan adressiert. Anschließend wird dieser Erkenntnisgewinn auf Titan- und Aluminiumlegierungen sowie Stähle erweitert. Parallel zur Aufklärung der Mechanismen werden Desoxidationsmodule entwickelt und aufgebaut, die in den weiteren Teil-projekten der Projektbereiche A und B zum Einsatz kommen sollen.

Ausgehend von grundlegenden Untersuchungen der Mechanismen, der Reaktionskinetik und der beteiligten Prozesse wird eine Beschreibung der thermischen und der plasmachemischen Desoxidation formuliert. Dieser Erkenntnisgewinn wird im weiteren Schritt auf den Technikumsmaßstab übertragen, dort validiert und die Beschreibung geeignet erweitert. So soll eine Nutzung der Ergebnisse in den weiteren Teilprojekten insbesondere der Projektbereiche A und B ermöglicht werden. Darüber hinaus werden gemeinsam dortige Fragestellungen adressiert, indem die Beobachtungen der weiteren Teilprojekte in Modellexperimenten nachgestellt werden. Nur in der engen Zusammenarbeit im SFB können somit weitere Effekte aus den Beobachtungen aufgeklärt und grundlegend beschrieben werden. Die verschiedenen Werkstoffsysteme weisen dabei diverse Herausforderungen auf, die mit der Desoxidation einhergehen. Änderungen der Mikrostruktur, eine Wasserstoffeinlagerung und -versprödung, Entmischungseffekte unter Bildung von Ausscheidungen oder oberflächlich adsorbierten Nanopartikeln bilden eine weite Spanne möglicher Einflüsse. Um diese im Prozess kontrollieren zu können, ist ein erweitertes Verständnis der Mechanismen notwendig.

Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

Shaban, M., Merkert, N., van Duin, A. C. T., van Duin, D., Weber, A. P. (2024): Advancing DBD Plasma Chemistry: Insights into Reactive Nitrogen Species such as NO2, N2O5, and N2O Optimization and Species Reactivity through Experiments and MD Simulations, Environmental science & technology 58, pp. 16087–16099
DOI: 10.1021/acs.est.4c04894
Udachin, V., Wegewitz, L., Szafarska, M., Dahle, S., Gustus, R., Maus-Friedrichs, W. (2023): Atmospheric Non-thermal Plasma Reduction of Natively Oxidized Iron Surfaces, Plasma Chemistry and Plasma Processing
DOI: 10.1007/s11090-023-10346-7
Wegewitz, L., Maus-Friedrichs, W., Gustus, R., Maier, H. J., Herbst, S. (2023): Oxygen‐Free Production—From Vision to Application, Advanced Engineering Materials
DOI: 10.1002/adem.202201819
Udachin, V., Wegewitz, L., Dahle, S., Maus-Friedrichs, W. (2022): Reduction of copper surface oxide using a sub-atmospheric dielectric barrier discharge plasma, Applied Surface Science 573, p. 151568
DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.151568
Udachin, V., Wegewitz, L., Dahle, S., Maus-Friedrichs, W. (2022): Dielectric Barrier Discharge Plasma Deoxidation of Copper Surfaces in an Ar/SiH4 Atmosphere, Plasma Chemistry and Plasma Processing
DOI: 10.1007/s11090-022-10268-w

Dissertationen

Udachin, V. (2024): Non-thermal plasma deoxidation of copper and iron surfaces: process efficiency and mechanisms, Dissertation, Technische Universität Clausthal 2024
ISBN: 978-3-8440-9623-1

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

Udachin, V., Dahle, S., Maus-Friedrichs, W. (2023): Reduction of metal surface oxides using an atmospheric dielectric barrier discharge plasma and investigation of deoxidation mechanisms, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
ISBN: 978-3-8440-9105-2
Udachin, V., Dahle, S., Maus-Friedrichs, W. (2021): Investigation of deoxidation mechanisms on Cu surfaces in a dielectric barrier discharge plasma, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag, pp. 860–872
Udachin, V., Dahle, S., Maus-Friedrichs, W. (2021): Low temperature plasma deoxidation of copper surfaces, Giruzzi, G., Arnas, C., Borba, D., Gopal, A., Lebedev, S., Mantsinen, M. (Hg.): 47th EPS Conference on Plasma Physics, EPS 2021: European Physical Society
ISBN: 979-10-96389-13-1

Verschiedenes

Udachin, V., Dahle, S., Maus-Friedrichs, W. (2022): Dielectric barrier discharge plasma reduction of iron oxides (Poster), Plasma Processing and Technology International Conference 2022, Barcelona 27.04.-29.04.2022
Udachin, V., Dahle, S., Maus-Friedrichs, W. (2022): Dielectric barrier discharge plasma deoxidation of copper and iron surfaces (Poster), 2022 IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS).
DOI: 10.1109/ICOPS45751.2022.9813324