Wie lassen sich die Molekülbindungen in einer Umwandlungsschicht charakterisieren?
Question
Die Entwicklung neuer Konversionsschichten zum Schutz von Materialien kann durch einen Mangel an Informationen über die molekularen Wechselwirkungen, die sich durch die chemische Behandlung innerhalb der Beschichtung einstellen, behindert werden.
Dieses Fallbeispiel zeigt, wie sich ToF-SIMS [FLUGZEIT-SPEKTROMETERIE DER SEKUNDÄREN IONENMASSE (TOF-SIMS)] als ein sehr effektives Werkzeug zur Unterstützung von Forschung und Entwicklung erweist, um die effektive Umwandlung von Aluminium nach der Abscheidung einer Gel-Sol-Beschichtung zu charakterisieren. Darüber hinaus veranschaulicht dieses Beispiel die Möglichkeit, den Vernetzungsgrad der abgeschiedenen Schicht anhand von Daten aus Massenspektren zu bewerten. Diese Informationen ermöglichen es, die Leistung einer entwickelten Lösung im Bereich des Korrosionsschutzes zu verstehen.
Expertise
ToF-SIMS ist als leistungsfähige Analysetechnik bekannt, die präzise molekulare Informationen über die ersten Nanometer der Oberfläche eines Materials liefern kann. Dank ihrer Profilierungskanonen ermöglicht die bei Materia Nova verfügbare Ausrüstung auch die Analyse von Schichten mit einer Dicke von mehreren Dutzend Mikrometern mit einer Auflösung im Nanometerbereich. In diesem Fallbeispiel veranschaulichen wir die Fähigkeit des ToF-SIMS, die molekularen Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen einem Aluminiumträger und einer etwa zehn Mikrometer dicken Schicht, die durch Sol-Gel-Verfahren aufgebracht wurde, zu analysieren [Keramikbeschichtung (durch Sol-Gel-Verfahren).
Die analysierten Beschichtungen fügen sich in den Rahmen der Entwicklung neuer Konversionsschichten (ohne Chrom VI) insbesondere bei unserem Partner Axcentive ein. Die Substitutionsverfahren weisen noch zahlreiche Grenzen auf und erreichen nicht immer die erwarteten Leistungen. Im Rahmen seiner Bemühungen, Industrieunternehmen bei verantwortungsvollen Innovationsprojekten zu unterstützen, hat Materia Nova auch in diesem Bereich Expertise entwickelt [ALT CTRL TRANS].
Diese Studie vergleicht hier die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium, das mit 2 Beschichtungen auf Siliziumbasis (Sol-Gel-Beschichtung) beschichtet wurde, und erklärt mithilfe von ToF-SIMS die Gründe für diese Leistungsunterschiede.
Tests im Salzsprühnebel :
Die Korrosionsbeständigkeit der beiden Sol-Gel-Formulierungen wird durch eine Salzsprühbewitterung ermittelt [Salzsprühkammern: ISO 9227 / ASTM B 117; Essigsäure)].
Nach 300 Stunden in BS ist deutlich zu erkennen, dass Beschichtung 1 (Dicke: 2 µm) praktisch nicht angegriffen wird, während Beschichtung 2 (Dicke: 10 µm) stark korrodiert ist.
Analyse der Grenzfläche durch ToF-SIMS :
Um zu erklären, warum die Beschichtung 1 widerstandsfähiger ist, werden ToF-SIMS-Profilanalysen von der Oberfläche der Beschichtung bis zum Aluminiumsubstrat durchgeführt. Beschichtung 1 ist ein reines Metalloxid (SiO2); Beschichtung 2 enthält zusätzlich organische Gruppen (R).
Die Aluminiumumwandlung kann durch Verfolgung des SiOAl+ Ions (gelbe Fluoreszenz) beurteilt werden.
- Bei Probe 1 ist zu erkennen, dass dieses SiOAl+ Ion hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen der Beschichtung und dem Aluminiumsubstrat vorhanden ist (ca. 1 µm). Außerdem wird das Al2OH+ Ion nicht mehr nachgewiesen, was auf eine vollständige Umwandlung in der Nähe der Grenzfläche hindeutet.
- Bei Probe 2 wird das SiOAl+ Ion über die gesamte Schichtdicke hinweg nachgewiesen, die Signalintensität nimmt jedoch in der Nähe der Grenzfläche zum Substrat ab. Außerdem bleibt die Intensität des Al2OH+ Ions in der gesamten Schicht konstant, was auf einen geringeren Umsatz in dieser Probe hindeutet.
Bestimmung des Vernetzungsgrades :
Der Vernetzungsgrad der aufgetragenen Schichten kann durch Verfolgung des Si2O2+Ions (blau fluoreszierend) bestimmt werden. Die Intensität dieses Ions ist bei Schicht 1 wesentlich höher, so dass diese Schicht am stärksten vernetzt ist; dies erklärt, warum sie bessere Barriereeigenschaften aufweist.
Lösung
Diese Studie zeigt, dass ToF-SIMS ein sehr leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Konversionsschichten ist. Während andere Techniken lediglich Informationen über die Stochiometrie der Elemente liefern, ermöglicht ToF-SIMS zum einen die Identifizierung der vorhandenen molekularen Spezies und zum anderen die Bestimmung ihrer Verteilung über die Schichtdicke.
Die bessere Korrosionsschutzleistung einer der in dieser Studie analysierten Formulierungen lässt sich durch 2 grundlegende Faktoren erklären, die mit anderen Techniken nur schwer zugänglich sind:
- eine bessere Umwandlung von Aluminium in SiOAl+ in der Nähe der Grenzfläche,
- eine bessere Vernetzungsdichte (Bildung von Si2O2+), wodurch die Barriereeigenschaften der Beschichtung optimiert werden.
Diese Art der Untersuchung ist bei Schichten von einigen Dutzend µm möglich.
Weitere Informationen: Diese Studie wurde in der Zeitschrift
lien vers la publication : https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2024.100270