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2025-04-20T11:34:54Z

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'''Kohlenstoffschichten''' sind [[dünne Schichten]], die überwiegend aus dem chemischen Element [[Kohlenstoff]] bestehen. Dazu zählen die Plasmapolymerschichten, die [[amorph]]en Kohlenstoffschichten ({{enS|diamond-like carbon}}, DLC), die [[Chemische Gasphasenabscheidung|CVD]]-Diamantschichten sowie die [[Graphit]]schichten.
Mit [[Beschichtung]]en aus Kohlenstoff lassen sich vielfältige Oberflächenfunktionen realisieren, vor allem im Bereich der [[Tribologie]], also in verschleißbeanspruchten Anwendungen.

== Einteilung ==

=== Graphitschichten ===
Graphitschichten bestehen ausschließlich aus sp2-[[Hybridorbital|hybridisierten]] Kohlenstoffatomen. Sie finden beispielsweise auf Scheibenbremsen an Flugzeugen, als Beschichtungen von Heiz- oder Brennelementen oder, aufgrund ihrer [[Biokompatibilität]], in vielen Biomedizinischen Artikeln wie Implantaten Verwendung.

=== Diamantschichten ===
Diamantschichten sind Kohlenstoffschichten mit maximaler Härte und maximalem Verschleißwiderstand. Sie lassen sich durch spezielle [[Chemische Gasphasenabscheidung|chemische Gasphasenabscheideverfahren]] herstellen. Dabei entstehen mikro- oder nanokristalline Schichten, die durch gezieltes Verändern der Prozessparameter texturiert werden können und so einen äußerst geringen Reibwert bieten.

=== Amorpher Kohlenstoff ===
Amorpher Kohlenstoff ist auch bekannt unter den Bezeichnungen DLC (Diamond-like Carbon) oder diamantähnlicher Kohlenstoff. 
Die amorphen Kohlenstoffschichten werden nach VDI 2840 und ISO 20523 wie folgt eingeteilt (mit Angabe der empfohlenen Abkürzung):

* Wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten, '''a-C''', bestehen überwiegend aus sp2-hybridisierten Bindungen und werden deshalb auch als Graphitartige Kohlenstoffschichten bezeichnet.

* Tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten, '''ta-C''', bestehen überwiegend aus sp3-hybridisierten Bindungen, weshalb ihre mechanischen Eigenschaften diamantähnlich sind.

* Metallhaltige wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten, '''a-C:Me'''

* Wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, '''a-C:H''' (H-Anteil > 35 %)

* Tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, '''ta-C:H''' (H-Anteil >25 %) mit überwiegend sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen

* Metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, '''a-C:H:Me''': Durch Dotieren mit Metallen bildet sich ein Verbund aus einer a-C:H Matrix und [[Carbide|Metallkarbiden]]. Schichten aus diesem Material besitzen hohe Verschleißfestigkeiten, geringe Reibkoeffizienten sowie bessere Haftung der Schichten. Durch Veränderung des Metallgehaltes lassen sich die Materialeigenschaften stark beeinflussen.

* Modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, '''a-C:H:X''': Durch Dotierung mit Elementen wie Si, O, N, F und B können amorphe Kohlenstoffschichten je nach gewünschten Eigenschaften stark modifiziert werden. [[Silizium]] beispielsweise erhöht die Temperaturbeständigkeit in sauerstoffhaltiger Umgebung. Eine Dotierung mit Silizium und Sauerstoff kann die [[Oberflächenspannung]] stark herabsetzen (bis hin zu Werten in der Größenordnung von [[PTFE]]). Außerdem lassen sich transparente und äußerst kratzfeste Schichten herstellen.

==== Anwendungen ====
* Amorphe Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten) werden zum Beispiel in der [[Kraftfahrzeug#Motor|Kraftfahrzeugtechnik]] im Verbrennungsmotor eingesetzt. Hier werden bewegliche Teile wie [[Nockenwelle]], [[Kolbenring]]e und Zahnräder mit a-C:H oder a-C:H:Me beschichtet, um Verschleiß und Reibung zu minimieren und um so die Fahrzeuge leistungsstärker und emissionsärmer zu machen.

* Auf [[Tiefziehen|Tiefzieh]]-, [[Extrusion (Verfahrenstechnik)|Extrusions]]- und Schmiedewerkzeugen mindern Schichten aus amorphem Kohlenstoff den Verschleiß.

* Mit Diamant beschichtete Zerspanwerkzeuge für die Bearbeitung von schwerzerspanbaren oder stark abrasiv wirkenden Werkstoffen, wie Graphit, Keramik- und Hartmetallgrünlingen, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen.

* [[Dichtung (Technik)|Dichtungen]], zum Beispiel [[Gleitringdichtung]]en für Kessel[[Speisewasserpumpe|speisepumpen]], werden zur Minimierung des Verschleißes (Elektrokorrosion) und der Reibung mit amorphem Kohlenstoff oder Diamant beschichtet.

== Herstellung ==
Die Abscheidung der Kohlenstoffschichten erfolgt mit den Verfahren der chemischen (CVD) oder physikalischen ([[Physikalische Gasphasenabscheidung|PVD]]) Gasphasenabscheidung, meist im [[Vakuum]]. Sie werden als [[Dünnschichttechnologie|Dünnschichten]] in Schichtdicken von wenigen [[Meter#Mikrometer|Mikrometern]] abgeschieden.

== Siehe auch ==
* [[Plasmapolymerisation]]
* [[Diamant]]

== Literatur ==
* VDI-Richtlinie 2840 : 2012-06 Kohlenstoffschichten – Grundlagen, Schichttypen, Eigenschaften
* Krause, A. et al.: Analysis of the friction behavior of DLC in warm bulk forming by using the ring compression test. In: Production Engineering, Vol. 9 (2015), no 1, pp. 41–49.
* ISO 20523:2017-09 Kohlenstoffschichten – Klassifizierung und Bezeichnungen (Carbon based films – Classification and designations)
* DIN 4855:2015-09 Kohlenstoffschichten – DLC-Schichten – Beschreibung der Schichtarchitektur
* DIN 4856:2018-02 Kohlenstoffschichten und andere Hartstoffschichten – Rockwell-Eindringprüfung zur Bewertung der Haftung

== Weblinks ==
* [https://www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-2840-kohlenstoffschichten-grundlagen-schichttypen-und-eigenschaften/ VDI-Seite über die Richtlinie VDI 2840 mit Inhaltsverzeichnis und Link auf Bestellmöglichkeit]
* [https://www.iso.org/standard/68243.html ISO-Seite über die ISO 20523 mit Inhaltsverzeichnis und Bestellmöglichkeit]
* [https://www.din.de/de/mitwirken/normenausschuesse/nmp/normen/wdc-beuth:din21:238262340 DIN-Seite über die DIN 4855 mit Inhaltsverzeichnis und Bestelllink]
* [https://www.din.de/de/mitwirken/normenausschuesse/nmp/normen/wdc-beuth:din21:282284823 DIN-Seite über die DIN 4856 mit Inhaltsverzeichnis und Bestelllink]
* [https://kohlenstoffschichten.de/ Informationen zur Systematik der Kohlenstoffschichten gemäß VDI 2840]
* [http://hfm.tugraz.at/de/referenzen/pumpen/diamantbeschichtete-gleitringdichtungen-fuer-kesselspeisepumpen.html Diamantbeschichtete Gleitringdichtungen im 27.000h-Dauerversuch]

[[Kategorie:Beschichtungswerkstoff]]

Kohlenstoffschicht - Versionsgeschichte

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