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Oberflächentechnik (Subject) / Oberflächentechnik (Lesson)

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• Warum ist es wichtig, Oberflächeneigenschaften zu messen bzw. gezielt modifizieren zu können? Weil sie für die Eigenschaften des Materials an sich maßgeblich verantwortlich sind
• Aus welchen Gründen unterscheiden sich Oberflächeneigenschaften von denen im Volumen eines Materials? An der Grenzflächer zweier Materialien findet ein Kontakt zwischen z.T. ganz unterschiedlichen Atomen oder Molekülen statt Es werden an der Oberfläche im Allgemeinen keine glatten, ebenen Flächen vorgefunden, sondern mehr oder weniger stark gewellte oder gar zerklüftete, komplizierte Flächen. Man spricht von der Topologie. Weil Fehlstellen existieren, die die Oberflächen teilweise öffnen. Durch diese Poren werden Oberflächen prinzipiell durchdringbar (permeabel). Dies ist von großer Bedeutung für die Klimaeigenschaften eines Werkstoffes: a. Wasser- und Luftdurchlässigkeit b. Saugvermögen c. Druckfestigkeit d. Wärmeleitfähigkeit Weil an der Oberfläche Materialeigenschaften benötigt werden, die im Volumen relativ unwichtig sind: Verbundmaterialien: Sandwichstrukturen, Matrixverbünde
• Was unterscheidet die Begriffe Oberfläche und Grenzfläche? Eine Grenzfläche befindet sich zwischen zwei Materialien und eine Oberfläche befindet sich auf einem Material. 
• Nennen sie Materialparameter, die von der Topologie beeinflusst werden und welche, die von Fehlstellen beeinflusst werden. Topologie: -  Reibungskoeffizient -  Rauheit -  Haptik -  Schallreflektion -  Optik/Glanz -  Feuchtigkeitsaufnahme Fehlstellen: -  Wasser- und Luftdurchlässigkeit -  Saugvermögen -  Druckfestigkeit -  Wärmeleitfähigkeit
• Mit welchen Instrumenten wird am häufigsten die Rauigkeit einer Oberfläche gemessen? Mechanisch: Perthometer (Tastschnittverfahren) Optisch: Glanzmessung Streifenprojektion (Streifenlichttopometrie)
• Was sind die Vor- und Nachteile der konventionellen Rauheitsmessmethode? Vorteile: Vorteile: - Einfache Technik - Leicht zu verstehen und zu bedienen Nachteile: - Steile Täler, die schmaler sind als die Testnadel werden nicht in ihrer ganzen Tiefe erfasst - Auch die Steigung der Täler ist nicht messbar - Keine Aussage über die Haptik der Oberfläche
• Wofür wird die Streifenlichtprojektion eingesetzt? Auf was basiert die Streifenlichtprojektion? Messung durch Triangulation: geometrische Methode der optischen Abstandsmessung durch genaue Winkelmessung innerhalb von Dreiecken. Die Berechnung erfolgt mittels trigonometrischer Funktionen ⇒ etabliertes 3D‑Messverfahren. Gerät projeziert sequentiell Muster von parallelen hellen und dunkeln Streifen unterschiedlicher Breite auf das Messobjekt. Die Kameras registrieren das projizierte Streifenmuster unter einem bekannten Blickwinkel zur Projektion. Die Kamera nimmt so viele einzelne Bilder auf, aus denen die dazugehörige Software durch Triangulation ein 3D-Modell erstellen kann. Dies wird angewandt für virtuelle Modelle in: Industrie Medizin Verbrechungsbekämpfung Body scans Oberflächenmessung etc.
• Was ist ein Fraktal? Fraktale sind bestimmte natürliche oder künstliche Gebilde. Außerdem können Fraktale geometrische Muster sein oder Objekte, die sich auf unterschiedlichen Größenskalen selbstähnlich sind.
• Was ist die fraktale Dimension einer Oberfläche? Fraktale Dimensionen sind „gebrochene Dimensionen“. Die Dimension eines Fraktals muss also keiner ganzen Zahl entsprechen.
• Wie bestimmt man die fraktale Dimension einer Oberfläche/eines Profils? Boxcounting-Methode Koch-Kurve Sierpinski-Dreieck Mandelbrot-Menge
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• Was ist Selbstähnlichkeit und wo tritt sie auf? die Eigenschaft von Gegenständen, Körpern, Mengen oder geometrischen Objekten bei Vergrößerung, dieselben oder ähnliche Strukturen aufzuweisen wie im Anfangszustand. Beispiele: Baum und seine Äste, Verästelung von Blutgefäßen, Romanesco (Gemüse), Sierpinski-Dreieck.
• Nennen Sie praktische Anwendungsgebiete der Fraktalen. Fraktale werden in der Natur angewendet, um komplexe Oberflächen, bzw. sehr raue Oberflächen so exakt wie möglich zu berechnen. Beispiele: Medizin: Versorgung von Tumoren mit Blut, Lunge, Adern Geografie: Länge von Länderküsten Technik: Handy Antenne (Plättchen mit fraktalen Eigenschaften – sie muss punktsymmetrisch und selbstähnlich sein), Fraktale Gebirge, die in Filmen komplett mit dem Computer generiert werden Natur: Wolken, Dünen in der Wüste, Bäume mit ihren Ästen
• Welche Rolle spielt das Matryoshka-Limit für selbstähnliche Oberflächen? Es stellt die minimale Größe dar, bis zu der Selbstähnlichkeit beobachtet wird.
• Was sind die Grundzüge der Nanotechnologie? Es liegen Errungenschaften zu Grunde wie: Quantentheorie, Atommodell, Elektronenmikroskop, Quantenmechanik oder der Photo-Elektrische Effekt, die die Grundsteine für die Entdeckung der Nanotechnologie legten. Die Vorschläge des Wissenschaftlers Richard Feynman, wie Technologie auf mikroskopischer Ebene funktionieren könnte, sind dann zur Grundlage der Nanotechnologie geworden.
• Woher kommt der Begriff Nano? Nano = ein Milliardstel = ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters
• Was ist das Ziel des Einsatzes von Nanotechnologie? Je winziger Strukturen werden, desto mehr Atome liegen auf ihrer Oberfläche und können mir ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten ⇒ Eigenschaften ändern sich bei Nanostrukturen: Leitfähigkeit Magnetisches Verhalten Schmelz- und Siedepunkt Zähigkeit Bruchfestigkeit Farbe
• Nennen Sie Strukturen von Nanomaterialien In zwei Dimensionen: bilden Schichten aus (Grenzflächen) In drei Dimensionen: es formen sich: o   Geordnete Gitter o   Poröse Gebilde o   Regelmäßige Packungen von Partikeln
• Mit welchen Verfahren können Nanostrukturen sichtbar gemacht werden? TEM (Transmissions-Elektronenmikroskop) REM (Raster-Elektronenmikroskop) Rasterkraftmikroskop RTM (Raster-Tunnelmikroskop)
• Was unterscheidet Bottom-up und top-down voneinander? Nennen Sie Beispiele. Bottom-up: Aufbau von komplexen Strukturen aus einzelnen Atomen oder Molekülen. Wenn Nanoteilchen, Schichten und viele andre Strukturen mit chemischen oder physikalischen Verfahren aus einzelnen Atomen, Molekülen oder deren Komplexen aufgebaut werden. o   Gasphasensynthese o   Sol-Gel Prozess o   Chemische/Physikalische Gasphasenabscheidung Top-down: Erzeugung nanoskaliger Strukturen durch Verkleinerung bzw. durch ultrapräzise Materialbearbeitung. Hierbei findet eine Verkleinerung bzw. Strukturierung von Materialien bis in die Nanometerdimension statt. Dieser Weg wird durch Mahlprozesse, Ätzverfahren, energiereiche Licht- oder Ionenstrahlen sowie mittels ultrafeiner Stempel beschritten. o   Zerkleinerung von Pulvern mit Kugelmühlen durch sehr kleine, harte Keramikkügelchen als Mini-Mühlsteine ⇒ Anwendungsbeispiel: Nano-Farbpartikel für hochauflösende Tintenstrahldrucker o   Strukturierung mit Stempeltechniken o   Strukturierung mit Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder kurzwelliger UV-Strahlung
• Was ist ein Sol und wie kann ein Sol zum Gel werden? Chemische Lösung der Ausgangsmaterialien geht in eine kolloidale Lösung (Keine echte Lösung, aber auch keine Suspension) über = Sol Im Sol ist ein Stoff mit Teilchengrößen zwischen 1 nm und 1000 nm in einem anderen Stoff gleichmäßig verteilt, sodass seine Partikel in dem anderen schweben Stabile Verteilung = Keine Entmischung Durch Polymerisation und Entzug von Lösungsmittel kann ein Gel gebildet werden Beim Sol-Gel-Verfahren wird ein nanoskaliger Stoff in einem anderen Stoff gleichmäßig verteilt. Durch Erhitzen oder indem ein Katalysator hinzugefügt wird, wachsen die Partikel bis zu einer kritischen Größe. Mit speziellen chemischen Eingriffen kann das Wachstum in bestimmten Phasen gestoppt werden. Die entstandenen Partikel besitzen eine definierte Größe, deren Oberfläche weiter chemisch verändert werden kann. Hierdurch kann z.B. ein Schutz vor Verklumpung entstehen oder es können bestimmte Löslichkeitseigenschaften hergestellt werden. Indem anschließend ein Teil des Lösungsmittels entfernt wird, entsteht ein Gel, in welchem alle Nanoteilchen miteinander verbunden sind. Diese Gele besitzen andere Eigenschaften als die einzelnen Nanoteilchen. Beispielsweise können sie elektrischen Strom leiten.
• Wie funktioniert die Gasphasensynthese? Gas, Flüssigkeiten oder Feststoffe werden als Ausgangsstoffe in einen Gasstrom eingebracht und durch eine heiße Zone geführt. Flüssigkeiten werden hierfür zu Tröpfchen und Feststoffe zu Partikeln verdampft bzw. zerstäubt. An die entstehenden Primärpartikel lagern sich weitere Atome und Moleküle an, wodurch die Primärpartikel zu Vorläuferteilchen heranwachsen. Schließlich bilden sich aus mehreren Vorläuferteilchen die Nanomaterialien. Vorteile: o   Es entstehen kaum flüssige Nebenprodukte o   Reinheit der Teilchenoberfläche ist höher o   Größe und Gestalt des Partikels lassen sich genau einstellen o   Die Größe der Teilchen im Gasstrom während der Reaktion kann mit physikalischen Methoden gemessen werden
• Welche Gasphasenreaktoren werden in der Industrie eingesetzt und welcher hat für Beschichtungen im Mikro- und Nanobereich am meisten Bedeutung? Flammenreaktor Heißwandreaktor Plasmareaktor PVD (Physical Vapor Deposition) ⇒ größte Bedeutung CVD (Chemical Vapor Deposition) ⇒ größte Bedeutung 
• Beschreiben Sie die verfahren CVD und PVD. CVD: o   Einleiten zweier flüchtiger Verbindungen mit einem Gasstrom in eine Reaktionskammer o   Hierin befindet sich das zu beschichtende Werkstück o   Zufuhr von Reaktionsenergie ⇒ Auf Oberfläche findet chemische Reaktion statt o   Sehr niedrige Drücke notwendig, oder Vakuum, damit eine Abscheidung einer Schicht an der Oberfläche erzeugt wird und keine Bildung von festen Partikeln in der Gasphase o   Auf 3D-Oberflächenstrukturen anwendbar o   Beispiel: Winzige Gräben in der Feinstruktur von Computerchips werden so erzeugt PVD: o   Festes Beschichtungsmaterial liegt vor o   Beschuss mit Laserstrahlen, Ionen, Elektronen oder durch Lichtbogenentladung in einer Beschichtungskammer o   Das vorgelegte Material verdampft o   Dampf bewegt sich frei in der Kammer und soll sich auf Werkstück als Beschichtung absetzen o   Unterdruck, damit Gasteilchen sich auf als Schicht auf Werkstück ablegen und nicht gestreut werden o   Werkstück muss bei Behandlung gedreht werden, um alle Seiten zu beschichten o   Bei Kontakt mit dem Werkstück scheiden sich Dampfteilchen auf dessen Oberfläche durch Kondensation ab ⇒ sehr dünne Beschichtung entsteht o   Beispiel: Anwendung auf Blechen, Drähten oder Gläsern
• Was sind Ferrofluide? Flüssigkeiten, die auf magnetische Felder reagiern Im technischen Einsatz Können durch starken permanent Magneten in einer bestimmten Position gehalten werden Einsatz in Lautsprechern zwischen der Schwingspule und der Magnetanordnung ⇒ dämpfen die Schwingung der Membran
• Erläutern Sie den Lotus Effekt. Auf einer Oberfläche befinden sich hügelige Mikrostrukturen, die mit wasserabweisenden Wachskristallen von wenigen Nanometern Größe besetzt sind. Wenn Wasser auf die Struktur kommt wird Luft zwischen dem Wasser und der hydrophoben Schicht eingeschlossen. Somit ist die Kontaktfläche zwischen Oberfläche und Wasser extrem klein. Wassertropfen rollt und nimmt Schutz mit. Höhere Affinität des Schmutzes zum Wasser als zur hydrophoben Oberfläche.
• Von was hängt die Benetzung eines Stoffes auf der Erde mit Wasser ab? Vom Verhältnis der Grenzflächenspannungen Wasser/Luft Festkörper/Wasser Festkörper/Luft  Stoffe mit einer hohen Grenzflächenspannung werden besser benetzt als solche mit einer niedrigeren. 
• Warum wird ein Filter aus Fasermaterial umso wirkungsvoller, je dünner die Fasern sind? Je dünner man die Faser für den Filter herstellt, desto länger wird sie Und je mehr Faserlänge für den Filter verarbeitet wird, desto größer ist die Filteroberfläche, da auch die Faseroberfläche größer wird. Und je größer die Oberfläche, desto mehr Partikel können an ihr haften und somit gefiltert werden
• Nennen Sie weitere Anwendungen der Nanotechnologie. Halbleiterteilchen Kosmetika z.B. Sonnencreme ⇒ UV-Schutz Feuerhemmend Kratzfestigkeit (Beschichtungen an Autos) Selbstreinigung Wärmedämmung ⇒ Wärme reflektierende Verglasung Wasserabweisend Easy-to-clean à Lotus-Effekt
• Welche nanotechnologischen Verfahren zur Modifikation von Oberflächen gibt es? Sputtern PVD CVD
• Welche Beispiele von natürlichen Plasmen kennen Sie? Blitze Polarlicht in der Arktik und Antarktis Lichtkranz (Korona) der Sonne bei einer Sonnenfinsternis
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• Wann entsteht Plasma? Wird einem Gas weiter Energie zugeführt, wird es ionisiert ⇒ energiereicher Plasmazustand Es wird so viel Energie zugeführt, dass eine kritische Anzahl von Elektronen die Atomhülle verlässt ⇒ Ergebnis: Positiv geladene Ionen, umgeben von freien Elektronen Dieses ionisierte Gas ist elektrisch leitfähig Plasma kennzeichnet eine Materie auf hohem, instabilem Energieniveau
• Wie können Oberflächen durch PVD beeinflusst werden? Verringern von Verschleiß und Reibung z.B. an Werkzeugen Wärmedämm- und Sonnenschutzbeschichtungen auf Architektur- und Automobilglas Optische Schichten wie gasochrome Verglasung und Kaltlichtreflektoren Beschichtung von Folien, Fasern und Formteilen aus Kunststoff Dünnschichte Informationsspeicher wie DVD und Blue Ray Schichten für EUV-Lithografie Dünnschichtsolarzellen Schichten für die Displaytechnik
• Was ist Sputtern? Erläutern Sie das Prinzip. To sputter = zerstäuben Sputterdesposition – gehört zur Gruppe der PVD-Verfahren Atome werden aus einem Festkörper (Target) herausgelöst durch den Beschuss mit energiereichen Ionen ⇒ gehen in die Gasphase über Das zerstäubte Material legt sich anschließend auf einem Substrat nieder und bildet eine feste Schicht aus

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