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Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten
mit integrierten Piezosensoren und -aktoren (PT-PIESA)
Teilprojekt A3: Dünnschichttechnologien für metallbasierte piezoelektrische Module
Förderzeitraum: 07/2010 - 06/2014; 346.000 EUR
Aufgabenstellung/Ziel:
Forschungsziel des SFB/TR ist die Entwicklung von Produktionstechnologien für aktive Strukturbauteile. Diese zeichnen sich durch die direkte stoffliche Integration von Sensor-Aktor-Materialien in einen Leichtbaukonstruktionswerkstoff aus.
In den leichtmetallbasierten Piezomodulen gilt es, mittels Dünnschichten hohe elektrische Spannungen zu isolieren und sehr kleine Dehnungen einzelner Piezostäbe weitgehend verlustfrei in das Leichtmetall zu übertragen. Zudem müssen die Elektroden- und Isolatorschichten in den nachfolgenden Bestückungs-, Kontaktierungs- , Füge- und Umformprozessen ihre Funktionalität bewahren. Für die effektive Gestaltung der Gesamttechnologie sollen die Dünnschichten strukturiert auf dem Piezomaterial aufgebracht werden. Schwerpunkt des Teilprojektes ist Untersuchung der plasmagestützten Schichtabscheidung mit dem Ziel, hohe mechanische und elektrische Kennwerte der auf den Piezofaser-Epoxydharz-Kompositen abgeschiedenen Schichten zu gewährleisten.
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SAB-Projekt
Teilthema: Mikro- und nanoskalige Werkstoff- und Schichtsysteme
Technische Universität Chemnitz und Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz
gefördert durch SMWA und EU
Förderzeitraum: 04/2009 - 03/2012; 900.000 EUR
Aufgabenstellung/Ziel:
Ziel des Spitzentechnologieclusters „Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovation in der Produktionstechnik (eniPROD)“ ist es, durch die Bündelung der am Wissenschaftsstandort Chemnitz vorhandenen exzellenten Forschungsbereiche einen national und international sichtbaren Beitrag zur Umsetzung der Vision einer nahezu emissionsfreien Produktion bei gleichzeitiger Reduzierung des Energiebedarfs und Erhöhung der Ressourceneffizienz zu leisten. Dazu werden die an der Technischen Universität Chemnitz und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz vorhandenen komplementären Exzellenzbereiche, fokussiert auf den Forschungskomplex Energieeffiziente Produktion, weiterentwickelt und zu einer Systemkompetenz zusammengeführt.
An der Professur Physik fester Körper wird dazu ein Beitrag geliefert, indem Reibwertminderung und Verschleißminimierung in Reibpaarungen durch die Anwendung mikro- und nanoskalige Schichtsysteme zur Reduzierung des Energiebedarfs in der Produktion führen. Zum Beispiel führen neue Werkstoffe zu einer spürbaren Senkung der Antriebsenergie beim Einsatz auf Transportketten aus Polymerwerkstoffen.
Nanokompositschichten werden seit Mitte der 1990er Jahre untersucht, vor allem mit den Zielrichtungen „Superhärte“ sowie „optimaler Reibungs-/Verschleißschutz“. Trotz der großen Attraktivität des Gebiets ist die Anzahl der weltweit dort tätigen Gruppen noch überschaubar, was damit zusammenhängt, dass das Feld fachlich sehr breit und die für eine erfolgreiche Bearbeitung nötige Mindestkapazität vergleichsweise hoch ist. Das Forschungsvorhaben bietet die Möglichkeit, diese hochaktuelle Thematik interdisziplinär, mit angemessener Ausstattung und in enger Verflechtung mit den potenziellen Anwendungsfeldern zu bearbeiten.
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SAB-Verbundprojekt
Teilthema: In-Line Magnetronabscheidung von Photovoltaik-Siliziumschichten: Prozess- und Schichteigenschaften
Projektpartner: FHR Anlagenbau Ottendorf-Okrilla, Fraunhofer Institut Plasma- und Elektronenstrahltechnik FEP Dresden, Institut für Umweltanalysen IFU GmbH Lichtenau
Projektnummer: 13219/2243
gefördert durch SMWA und EU
Förderzeitraum: 03/2009 - 03/2012; 250.000 EUR
Aufgabenstellung/Ziel:
Die weltweite Klimaerwärmung fordert unabdingbar die Intensivierung der Nutzung aller alternativen Energien. Die Photovoltaik spielt dabei eine wichtige Rolle.
Bisher beruhen mehr als 90% der Photovoltaik-Entwicklung auf dem Einsatz von kristallinem Massiv-Silizium (Si). Die Dünnschichtsolarzellen weisen jedoch ein großes Wachstumspotential auf. Besonders viel versprechend hinsichtlich der Senkung der Produktionskosten und auch des Energieaufwandes bei der Produktion sind dabei In-Line Fertigungslinien von Silizium-Dünnschichtzellen in geschlossenen Vakuumprozessen. Für die Abscheidung der p- und n-dotierten Siliziumschichten wird dabei das Magnetronsputtern favorisiert. Es fügt sich nahtlos in die Prozesse zur Abscheidung der Elektroden-, Deck und Antireflexschichten ein.
Ein Ziel des Verbundprojektes ist deshalb die grundlegende Untersuchung des Magnetronsputterverfahrens bei Verwendung von Rohrkatoden hinsichtlich der Eignung zur Abscheidung von Si-Schichten für die Photovoltaik. Insbesondere werden die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und den strukturellen und elektrischen Eigenschaften der abgeschiedenen Si-Schichten nur ungenügend verstanden. Deshalb sind vor allem eingehende Untersuchungen zu den physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Magnetronplasmen sowie detaillierte Messungen zu den Halbleitereigenschaften der abgeschiedenen Si-Schichten vorgesehen. Für das erstere kommen Langmuir-Sondenmessungen und Untersuchungen zum Energieeintrag in die wachsende Schicht mit thermischen Sonden zum Einsatz, die Messungen an den Halbleiterschichten beruhen vorwiegend auf der Ladungsträgerspektroskopie, Ellipsometrie und Ramanstreuung.
Da Rohrkatoden, die letztlich in der geplanten Abscheidetechnologie zum Einsatz kommen sollen, mechanisch aufwändig und damit vergleichsweise teuer sind, kommen für die breitgefächerten Grundlagenuntersuchungen preiswertere Planartargets zum Einsatz. Für diese Untersuchungen steht an der TU Chemnitz eine sehr flexible vertikale In-line Vakuumanlage zur Verfügung. Es werden unterschiedlich betriebene (unipolar- und bipolar d.c. gepulste sowie sinusspannungsgespeiste) Magnetronentladungen untersucht. Die Ergebnisse werden mit solchen verglichen, die an Rohrmagnetrons bei den Projektpartnern gewonnen werden.
Ebenfalls werden die Eigenschaften der bei den Projektpartnern abgeschiedenen Si-Schichten (Einsatz von Rohrkatoden) mit denen der an der TU Chemnitz abgeschiedenen Schichten verglichen, um durch eine Analyse des komplexen Gesamtergebnisses Grundlagen für eine Übertragung des Abscheideprozesses an andere Beschichtungsanlagen, beispielsweise beim Projektpartner FHR, abzuleiten.
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