Corrosion resistance and formability of ultrathin plasma polymer films on galvanised steel [Elektronische Ressource] / von Tobias Titz

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• Publié par: universitat_paderborn
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Deutsch
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Extrait

Corrosion Resistance and Formability of Ultra-thin
Plasma Polymer Films on Galvanised Steel


Dissertation


Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
der Fakultät für Naturwissenschaften der
Universität Paderborn


vorgelegt im Juni 2009 von


Dipl.-Phys. Tobias Titz

















Die vorliegende Arbeit wurde angefertigt am
Max-Planck Institut für Eisenforschung GmbH
in Düsseldorf

Referent: Prof. Dr.-Ing. G. Grundmeier
Department Chemie
Fachgebiet für Technische und Makromolekulare Chemie
der Universität Paderborn
Korreferent: Prof. Dr. C. Schmidt
Department Chemie
Fachgebiet für Physikalische Chemie und Makromolekulare Chemie
der Universität Paderborn
´
Tag der mündlichen Prüfung: 2. Juli 2009 Danksagung – Acknowledgement

Die vorliegende Arbeit wurde während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Angestellter
der Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH in Düsseldorf angefertigt.
An erster Stelle möchte ich mich bei meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Grundmeier
sehr herzlich bedanken für die Vergabe meines jederzeit spannenden Themas, für die
intensive und konstruktive Betreuung meiner Arbeit und die Möglichkeit, meine
wissenschaftlichen Ergebnisse auf verschiedenen Konferenzen und Tagungen zu präsentieren.
Frau Prof. Dr. C. Schmidt danke ich sehr herzlich für die freundliche Übernahme des
Koreferats.
Herrn Prof. Dr. M. Stratmann gilt mein Dank für die Möglichkeit der Durchführung meiner
experimentellen Arbeiten am MPIE in der Abteilung Grenzflächen und Oberflächentechnik.
Allen Mitarbeitern der Abteilung danke ich sehr herzlich für die angenehme Atmosphäre und
die stete Hilfsbereitschaft bei allen Anliegen.
Der Firma OCAS danke ich für die Bereitstellung der finanziellen Mittel sowie Herrn Dr. F.
Hörzenberger und Frau K. Van den Bergh für die zahlreichen und anregenden Diskussionen
während der Projekttreffen.
Ein ganz ganz herzliches Dankeschön geht an Fr. P. Ebbinghaus, Dr. N. Fink, Dr. M. Giza,
Dr. P. Keil, G. Klimow, Dr. I. Klüppel, Ö. Ozcan, R. Posner, Dr. J. Raacke, M. Santa, Dr. M.
Valtiner, R. Vlasak und Dr. K. Wapner und vielen anderen, die meine Zeit am MPIE mit
interessanten Messungen und Diskussionen sowie zahlreichen Anekdoten einfach
unvergesslich gemacht haben.

Mein besonderer Dank gilt meiner gesamten Familie sowie allen Freunden für ihr Verständnis
und ihre tatkräftig Unterstützung.
Bei meiner geliebten Frau Jolante werde ich mich niemals genug für ihr Verständnis, ihre
Unterstützung und ihre unermüdliche Geduld bedanken können. Unserem Sonnschein Sophie
Amelie danke ich vor allem für ihr bezauberndes Gemüt, das sonnige Lächeln und vor allem
für ihren gesunden Schlaf während des Schreibens meiner Dissertation. Index 1

Index

Index .......................................................................................................................................... 1
Symbols and abbreviations........................................................................................................ 4
1 State of research and motivation ...................................................................................... 7
2 Fundamentals....................................................................................................................9
2.1 Corrosion and corrosion protection of galvanised steel ................................................... 9
2.1.1 Degradation of organically coated zinc substrates .......................................................................... 9
2.1.2 Corrosion protection of zinc by thin plasma polymer films.......................................................... 12
2.1.3 The Kelvin probe – a unique tool for in-situ corrosion studies ..................................................... 13
2.2 Cold plasmas....................................................................................................................... 15
2.2.1 Plasma modification of metal surfaces.......................................................................................... 15
2.2.2 Plasma polymerization of organosilanes....................................................................................... 16
2.3 Forming of coated metals .................................................................................................. 18
2.3.1 Fundamentals of forming of metal sheets ..................................................................................... 18
2.3.2 Forming of zinc and zinc coated metals........................................................................................ 22
2.3.3 Forming of plasma polymer films .................................................................................................26
3 Experimental measurement techniques ......................................................................... 29
3.1 Electrochemical measurement techniques....................................................................... 29
3.1.1 In-situ and scanning Kelvin probe................................................................................................. 29
3.1.2 Electrochemical impedance spectroscopy..................................................................................... 30
3.1.3 Cyclic voltammetry....................................................................................................................... 32
3.2 Spectroscopic measurement techniques........................................................................... 33
3.2.1 Infrared spectroscopy .................................................................................................................... 33
3.2.2 X-ray photoelectron spectroscopy................................................................................................. 33 Index 2

3.2.3 Spectroscopic ellipsometry ........................................................................................................... 34
3.3 Microscopic techniques 35
3.3.1 Force microscopy.......................................................................................................................... 35
3.3.2 Scanning electron and Auger microscopy..................................................................................... 35
4 Experimental set-up and sample treatment.................................................................... 37
4.1 Materials ............................................................................................................................. 37
4.1.1 Used substrate material ................................................................................................................. 37
4.1.2 Substrate cleaning and pre-treatment ............................................................................................37
4.1.3 Application of organic top coat..................................................................................................... 38
4.2 Plasma modification........................................................................................................... 39
4.2.1 In-situ plasma treatment of metal surfaces.................................................................................... 39
4.2.2 PE-CVD film deposition ............................................................................................................... 40
4.3 Forming of samples............................................................................................................ 41
4.3.1 Miniature tensile forming device .................................................................................................. 41
4.3.2 In-situ cyclic voltammetry and forming set-up ............................................................................. 41
4.3.3 Tensile forming device for ex-situ experiments............................................................................ 43
5 Corrosion resistance of plasma modified HDG steel..................................................... 45
5.1 Stability and chemical composition of oxygen plasma modified zinc surfaces............. 46
5.1.1 In-situ FT-IR analysis during plasma treatment 46
5.1.2 Chemical surface change after plasma treatment .......................................................................... 47
5.1.3 Influence of plasma treatment on Volta potential ......................................................................... 49
5.1.4 Stability of zinc surfaces after plasma modification ..................................................................... 50
5.2 Deposition of ultra-thin plasma polymer films................................................................ 51
5.2.1 In-situ FT-IR analysis after plasma deposition.............................................................................. 52
5.2.2 Chemical composition of plasma polymer films........................................................................... 53