Primäre und sekundäre Gasphasenreaktionen zum Aufbau organo-keramischer Kompositmaterialien und deren Reaktionskinetik

Abstract

The following master thesis approaches primary and secondary gas phase reactions for the formation of organo ceramic composites. Metal organic chemical vapor deposition at atmospheric pressure is used to deposit a silicon dioxide layer as anticorrosive coating on metallic substrates like aluminum. However, due to the process parameters, particles are formed in the gas phase. The integration of these particles in the layer cause degradation of the coating performance. The hydrolysis of the metal organic precursor molecules is irreversible. The thermal decomposition of silane or chlorosilanes as common precursors is reversible with a reverse reaction in the gas phase. A reaction with HCl as an alternative for the missing reverse reaction of the metal organic precursor enables the reduction of particle formation. HCl is in-situ formed as product of an intramolecular cyclic reaction of organic chlorides. The amount follows a kinetic control due to the chemical equilibrium of the cyclic reaction. Mass spectroscopy is used to verify the postulated mechanism. The number of particles as well as coating properties such as acid resistance are used to evaluate the new process. Besides the chemical reverse reaction, a new possibility to define of kinetic parameters of the gas phase reactions under the given periphery and safety measures is developed. In-situ mass spectroscopy is utilized as analytic tool. First measurements of the hydrolysis of tetramethoxysilane as precursor with acetic acid and water lead to the determination of the reaction order and the rate constant at 300°C.

Die folgende Arbeit behandelt einen Prozess zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung amorpher SiO2-Schichten als Korrosionsschutz metallischer Substrate bei Atmosphärendruck. Dabei werden speziell primäre und sekundäre Gasphasenreaktionen zum Aufbau der organo keramischen Kompositmaterialien untersucht. Auf Grund der Prozessführung kommt es zur Partikelbildung in der Gasphase, welche durch ihren Einbau in die Schicht die Performance verschlechtern. Zur Reduzierung der Partikelbildung in der Gasphase wird ein neuer Reaktionsweg als Alternative zur chemischen Rückreaktion des Precursors mit HCl ermöglicht. HCl wird dabei über organische Chloride in situ gebildet und die HCl Menge kinetisch über das chemische Gleichgewicht der Reaktionen kontrolliert. Die postulierten Reaktionsmechanismen werden massenspektrometrisch nachgewiesen. Zur Bewertung des neuen Abscheideprozesses wird die gebildete Partikelmenge im Reaktor sowie Schichteigenschaften wie z.B. Säurebeständigkeit überprüft. Außerdem wird ein Prinzip zur Bestimmung kinetischer Daten der Gasphasenreaktionen unter Berücksichtigung der gegebenen Peripherie und Sicherheitsmaßnahmen entwickelt. Als analytisches Mittel wird die in-situ Massenspektrometrie genutzt. In diesem Zuge konnte bereits für die durch Essigsäure katalysierte Hydrolyse von Tetramethylorthosilikat eine Reaktionsordnung sowie eine Geschwindigkeitskonstante bei 300°C bestimmt werden.