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Oberflächentechnik (Fach) / Hochschule Reutlingen (Lektion)

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• 01. Warum ist es wichtig, Oberflächeneigenschaften zu messen bzw. gezielt modifizieren zu können? Oberflächentechnik dient zur gezielten Auswahl von Oberflächenwerkstoffen/Materialien und Prozessen um neue verbesserte Eigenschaften zu erzielen.
• 02. Aus welchen Gründen unterscheiden sich Oberflächeneigenschaften von denen im Volumen eines Materials? Oberflächen sind Grenzflächen zu anderen Materialien (Atomen, Molekülen), die dadurch unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt sind. Im Volumen, also im Inneren eines Materials herrschen nur gleiche Atome, wie z.B. im Aluminium Blech, wo in allen Raumrichtungen ausschließliche Aluminium Atome benachbart sind.
• 03. Was unterscheidet die Begriffe „Oberfläche“ und „Grenzfläche“? „Oberflächen“ sind Feststoffe bzw. Flüssigkeiten zu Vakuum (oder Feststoffoberfläche: fest zu gas/flüssig zu gas) „Grenzfläche“ (auch Phasengrenze) ist das aneinanderstoßen zweier Stoffe mit unterschiedlichem atomaren Aufbau (fest zu fest, flüssig zu fest, fest zu gas, gas zu flüssig, flüssig zu flüssig). Warum gibt es gas zu gas nicht? à Weil keine wirkliche Grenzfläche zwischen zwei „instabilen“ Zuständen entstehen kann.
• 04. Nennen Sie Materialparameter die von Topologie beeinflusst werden und welche, die von Fehlstellen beeinflusst werden. Topologie: Strömungseigenschaften Oberflächenfläche Permeabilität Rauigkeit Klimaeigenschaften Glanz Gleiteigenschaften
• 05. Mit welchem Instrument wird am häufigsten die Rauigkeit einer Oberfläche gemessen? Perthometer (Mechanischer Taster, der Höhenschwankungen misst) – konventionelle Messmethode. Schnelles Ergebnis.
• 06. Was sind die Vor- bzw. Nachteile der konventionellen Rauheitsmessmethode? Die Tastkugel kann nur die Tiefe der Rauheitsunterschiede erfassen, die auch dem Kugeldurchmesser entsprechen. Die Kugel kann also nur so tief eindringen, wie es ihr Durchmesser zulässt. Vorteil: Schnell gemacht Nachteil: Geben ein unvollständiges Bild der Oberfläche ab. Glanz wird nicht gemessen.
• 07. Welche Alternative gibt es zu den hergebrachten Rauheitsmessmethoden? Glanzmessung – Messung des gerichteten, reflektierten Lichtes à Reflexionsrichtung gibt Hinweis auf Intensität des Glanzes Streifenprojektion - Basierend auf trigonometrischer Funktion von Triangulation
• 08. Wofür wird die Streifenprojektion eingesetzt? Auf was basiert diese? Optische Abstandsmessung durch Berechnung von Winkeln (Triangulation) Vorteile: sehr detailliert, hohe Messgenauigkeit, Umsetzung in 3D-Projektionen/Modelle, breites Anwendungsspektrum Nachteil: Für komplexes Objekt viele Einzelmessungen notwendig à zeitaufwendig Technische Anwendungen: Einfügen von Werkstücken/Körpern in ein CAD-Programm z.B. Zahnräder oder Zahnscannung Opfer-/Verstorbenen-Erkennung
• 09. Wie muss man sich den Kontakt zwischen zwei Festkörpern vorstellen? Keine Oberfläche ist perfekt glatt, spätestens im Nanometerbereich erkennt man Unebenheiten. So entstehen Rauheiten der Materialien, die bei Kontakt zweier Festkörper an einander geraten.
• 10. Welche Reize können über die Rezeptoren der Haut (Schwerpunkt Finger) aufgenommen werden? Fingerspitzen: Schmerzrezeptoren – freie Nervenenden (Nozirezeptoren); Tastrezeptoren - Oberflächenstruktur, je höher die Druckkraft, desto größer die Kontakt/Tastfläche, Oberflächengestalt von fester und flüssiger Materie, Eindruck von Berührungen à Braille-Schrift; Thermorezeptoren – Erkennung von Wärme und Kälte
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• 11. Welche Oberflächeneigenschaften testen wir mit unseren Fingern und welche Kräfte üben wir dabei aus? Topologie der Oberfläche à Haptik (Rauheit, Temperatur)
• 12. Wie entsteht Reibung? Reibung entsteht sobald in den Kontaktpunkten zweier aneinander gepresster Materialien geschert wird, also die Scherspannung überschritten wird. Aus diesem Grund ist der Reibungskoeffizient das Verhältnis zwischen Scherfestigkeit und Druckfestigkeit. y = Fs / Fn
• 13. Was passiert beim Kontakt eines Tensides mit Wasser? Die Oberflächenspannung von Wasser wird herabgesetzt.
• 14. Was ist die treibende Kraft, wenn Fettaugen vor einem Spülmitteltropfen „fliehen“? Marangoni-Effekt: Eine Strömung, die auftritt, wenn in Flüssigkeiten lokale Unterschiede in der Oberflächenspannung herrschen. Da im Bereich der Tensidlösung die Oberflächenspannung von Wasser herabgesetzt wird, wird der Wasserfilm direkt an der Oberfläche in die Richtung der höheren Oberflächenspannung gezogen und nimmt dabei die sehr flachen, an der Oberfläche, schwimmenden Fettaugen mit.
• 15. Was ist ein Fraktal Ein Fraktal ist ein in Stücke gebrochenes Teil eines Ganzes was dessen Fläche beschreibt. Objekte, die zu sich auf unterschiedlichen Grüßenskalen selbstähnlich sind. Sierpnski Dreieck à Viele kleine Dreiecke ergeben ein ganzes, wobei die kleinen Dreieck so aussehen wie das Ganze.
• 16. Was ist die fraktale Dimension einer Oberfläche? Die Dimension D eines Objekts (Oberfläche) entsteht dann, wenn die Anzahl der Formen, die für eine Überdeckung nötig sind, indirekt proportional zur Dten Potenz der Größe der Formen sind. à N ~ 1/LD Das Fraktal muss keine ganze Zahl sein.
• 17. Wie bestimmt man die fraktale Dimension einer Oberfläche/eines Profils? Mit der Boxcounting-Methode. Bei dieser Methode überdeckt man die Menge mit einem Gitter der Gitterebene ε. Wenn N(ε) die Zahl der von der Menge belegten Boxen ist, so ist die Box-Dimension D = à Je genauer man also misst, desto länger bzw. größer wird das gemessene Objekt. (Küste Großbritannien) Genaugenommen aber nicht die Länge der Küste, sondern deren Rauigkeit. Je rauer, desto größer die fraktale Dimension.
• 18. Wo liegen Möglichkeiten der Verwendung der Fraktalen? Berechnung komplizierter Körper Modelldarstellungen
• 19. Was ist Selbstähnlichkeit und wo tritt diese auf? Ein Teil (Fraktal), das aussieht wie das Ganze. Adern im Körper zu den Flussadern auf der Erde eine verästelte Pflanze zu einer Baumkrone die Blätter von Farnen, die in immer kleinere Einzelblätter unterteilt sind 
• 20. Nennen Sie praktische Anwendungsgebiete der Fraktale. Handyantenne, Antennen, 3-D Simulationen, simulierte Landschaften, Berechnung von Blutversorgung im Körper (Patienten) - Tumorfrüherkennung, Entwicklung von Verkehrs- und Designeffizienz.
• 26. Was sind die Grundzüge der Nanotechnologie? Untersuchung/Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 nm Ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters (Verhältnis Haselnuss – Erdkugel)
• 27. Woher kommt der Begriff „Nano“? Griech. Nános = Zwerg
• 28. Was ist das Ziel des Einsatzes von Nanotechnologie? Analyse der Strukturen und Oberflächen im Nanometer-Bereich (Nanokosmos) Gezielte Steigerung/Verbesserung der Eigenschaften eines Materials --> Effizienz/Leistungsfähigkeit in verschiedenen Bereichen (Medizin, Kommunikation, Informatik)
• 29. Nennen Sie Strukturen von Nanomaterialien. Nanopartikel, Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren, Photonische Kristalle, Aerogele, Schichten, Grenzflächen
• 30. Mit welchen Verfahren können Nanostrukturen sichtbar gemacht werden? Elektronenmikroskop – Transmission: Hindurchschießen der Elektronen durch die Probe à Für sehr dünne Proben Raster: Reflektion der Sekundär- und Rückstreuelektronen an der Probe ergeben das Bild Rasterkraft: Taster scannt Oberfläche (Erhebungen usw.) der Probe Rastertunnelmikroskop: Taster scannt Oberfläche, an die ein Stromkreis angelegt ist à 3D-Abbild der Oberfläche
• 31. Was unterscheidet Bottom-Up und Top-Down verfahren? Nennen Sie Beispiele. Bottom-up: „von unten nach oben“. Aufbau einer komplexen Struktur aus einzelnen Atomen oder Molekülen. (Material wird mit nanoskaligen Strukturen beschichtet.) Verfahren: Sol-Gel-Prozess Gasphasensynthese Chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) Physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) Beispiele: Schutz vor Verklumpung oder Einstellen von Löslichkeitseigenschaften. Gele aus Graphit zum Leiten von elektrischem Strom. Top-down: „von oben nach unten“. Erzeugung nanoskaliger Strukturen durch Verkleinerung bzw. durch ultrapräzise Materialbearbeitung. (Materialien werden zu nanoskaligen Strukturen verarbeitet (zerkleinert).) Verfahren: Zerkleinerung von Pulvern mit Kugelmühlen Strukturierung mit Stempeltechniken Strukturierung mit Elektronen-, Ionen- oder kurzwelligen UV-Strahlen Beispiele: Herstellung extrem kleiner Transistoren und Leiterbahnen auf Computerchips (BioChips).
• 32. Was ist ein Sol und wie kann es zu Gel werden? Sol: Chemische Lösung der Ausgangsmaterialien, die in eine kolloidale Lösung übergeht. Sol à Gel: Durch Polymerisation und Entzug des Lösungsmittels Wie funktioniert die Gasphasensynthese? Eine Art Plasma-Verformung; mehrere aufeinanderfolgende Reaktionsschritte: Nukleationsphase (Bildung eines Primärteilchen-Komplexes) Wachstumsphase (Anlagerung weiterer Atome oder Moleküle)Aggregationsphase (Vorläuferteilchen stoßen aneinander und verwachsen zu gewünschtem Nanomaterial) (Mehrere Aggregate --> Agglomerate)
• 33. Welche Gasphasenreaktoren werden in der Industrie eingesetzt und welcher hat für Beschichtungen im Mikro- und Nanobereich am meisten Bedeutung? Heißwandreaktoren Flammenreaktoren Plasmareaktoren
• 34. Beschreiben Sie die Verfahren CVP und PVD. CVD (engl.: Chemical Vapor Deposition): Chemische Gasphasenabscheidung Mindestens zwei flüchtige Verbindungen werden mit einem Gasstrom in eine Reaktionskammer mit zu beschichtendem Werkstück geleitet. Reaktionsenergie wie zugeführt und auf der Oberfläche des Werkstücks entsteht eine chemische Reaktion Merke: Geringer Umgebungsdruck nötig – damit die flüchtigen Verbindungen die Bildung einer Schicht der Gasphase vorziehen. Dreidimensionale Oberflächenstrukturen sind möglich. PVD (engl.: Physical Vapor Deposition): Physikalische Gasphasenabscheidung -- Festes Beschichtungsmaterial wird durch Beschuss mit Laserstrahlen, Ionen, Elektronen oder durch Lichtbogenentladung in einer Beschichtungskammer verdampft -- Dampf bewegt sich frei oder durch elektrische Felder geleitet zum beschichtenden Werkstück -- Bei Kontakt mit dem Werkstück lagern sich die Dampfteilchen durch Kondensation ab Merke: Unterdruck nötig – damit die Dampfteilchen die Ablagerung als Schicht auf dem Werkstück den Gasteilchen vorziehen. Dampf breitet sich unidirektional aus à Werkstück muss gedreht werden (ganzheitliche Beschichtung)
• 35. Was ist Ferrofluid? Fluide, die mit Hilfe eines starken Permanentmagneten in einer bestimmten Position (magnetische Feldlinien) gehalten oder bewegt werden. Anwendung: Schwingungsdämpfung von Lautsprecher-Membranen
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• 36. Erläutern Sie den Lotus Effekt Die Oberfläche der Lotusblätter ist durch feinste Hügel extrem groß und mit einer wasserabweisenden, nanometer-großen Wachsschicht bedeckt. Durch die extrem hügelige Oberfläche wird die Luft in diesen Bereichen gehalten. Der Wassertropfen, der nun nur auf wenigen Punkten („Hügelspitzen“) aufliegt kann die Pflanze durch die Luftschicht nicht benetzen und perlt ab. Dabei nimmt er zudem vermeintlichen Schmutz mit.
• 37. Von was hängt die Benetzung eines Stoffes auf der Erde mit Wasser ab? Von dessen Grenzflächenspannung. Je geringer die Grenzflächenspannung, desto abweisender der Stoff.
• 38. Warum wird ein Filter aus Fasermaterial umso wirkungsvoller, je dünner die Fasern sind? Je dünner die Fasern werden, desto größer wird das Verhältnis zu deren Oberfläche. Dadurch kann die gleiche Masse Fasern mehr Fläche abdecken und mehr Schmutz aufnehmen, da mehr Anlagerungsoberfläche vorhanden ist.
• 39. Nennen Sie weitere Anwendungen der Nanotechnologie. UV-Schutz, Wärme reflektierende Verglasung, Antireflexbeschichtung, Vom Blickwinkel abhängige Farbe, Leichtere, stabilere und elastischere Kunststoffe, kratzfeste Lacke, Kleben statt schweißen, Schmutz abweisende Oberflächen, Elektrochrome Rückspiegel, Nano Rußpartikel für bessere Haftung, wirksamerer Katalysator, Brennstoffzelle, Kratzfeste Beschichtung, Verschleißminderung im Motor
• 40. Welche nanotechnologischen Verfahren zur Modifikation von Oberflächen gibt es? SputternPVDPVC
• 41. Wie werden Plasmaverfahren zur Modifizierung von Oberflächen eingesetzt? Beim Kontakt zwischen Plasma und festen Materialien trifft Plasmaenergie auf die Oberfläche und verändert wichtige Oberflächeneigenschaften, wie: Oberflächenenergie, exakt justierbare Steigerung der Adhäsionsfähigkeit und Benetzbarkeit.Plasmareinigung: Schmutzpartikel werden mittels ionisierten Gasen in die Gasphase umgesetzt (chemische Reaktion) und durch kontinuierliche Gas-Fluss über die Vakuumpumpe abgeführt.Plasmaaktivierung: Durch Plasma (reaktive Spezies) werden an Kunststoffoberflächen reaktionsfreudige Radikalstellen erzeugt. An diesen können sich funktionelle Gruppen (Beschichtungen) anlagern.Plasmabeschichtung: Monomere werden in den Plasmaprozess eingeschleust und bilden funktionelle, hauchdünne Schichten. (neue Oberflächeneigenschaften ~ Monomertyp)
• 42. Welche Beispiele von natürlichen Plasmen kennen Sie?  BlitzePolarlicht in der Arktis und AntarktisLichtkranz (Korona) der Sonne bei Sonnenfinsternis
• 43. Wann entsteht ein Plasma? Wenn einem Gas so viel Energie zugeführt, dass eine kritische Anzahl von Elektronen die Atomhülle verlassen und somit von freien Elektronen umgebene, positiv geladene Ionen, entstehen. Dieses ionisierte Gas ist elektrisch leitfähig.
• 44. Wie können Oberflächen durch PVD beeinflusst werden? Verringern von Verschleiß und Reibung z.B. bei Werkzeugen Wärmedämm- und Sonnenschutzbeschichtungen auf Architektur- und Automobilglas Optische Schichten, wie gasochrome Verglasung und Kaltlichtreflektoren Beschichtung von Folien, Fasern und Formteilen aus Kunststoff Dünnschicht Informationsspeicher wie DVD, Blue Ray Schichten für EUV-Lithografie Dünnschichtsolarzellen Schichten für die Displaytechnik
• 45. Was ist Sputtern? Erläutern Sie das Prinzip des Sputterns. Sputtern oder auch Kathodenzerstäubung beschreibt einen physikalischen Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper (Target oder Kathode) durch Beschuss mit energiereichen Ionen (vorwiegend Edelgasionen) herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen. Beschichtung: Die dadurch freien Atome lagern sich dann an dem zu beschichtendem Substrat (angeschlossen an die Anode) an und bilden eine feste Schicht.Reinigung: Die dadurch freien Atome werden entsorgt. Ziel: Saubere oder glatte Oberfläche.
• 46. In welchen (fast) reinen Modifikationen kann Kohlenstoff vorliegen? Diamant, Graphit und Fulleren
• 47. Welche Eigenschaften hat ein Diamant? Die Eigenschaften resultieren aus starken kovalenten Bindungskräften zwischen den C-Atomen: Spröde --> Gut spaltbar und leicht pulverisierbarFarblos und durchsichtig (durch Verunreinigung à farbig)Hohe Härte
• 48. Können Diamantbeschichtungen gemacht werden? Wenn ja, wie und wie nennt man diese Beschichtungen? CVD – In Vakuumkammer wird eine einige Mikrometer dicke CVD-Diamantschicht auf den Substraten abgeschieden. (Ausgangsstoff: Methan und Wasserstoff)Plasmabeschichtung (PECVD = Plasma-enhanced...) – Wenige Nanometer bis Mikrometer dünne Schichten aus sogenanntem diamantartigem Kohlenstoff (nur bestimmte Eigenschaften des Diamanten) werden auf Substraten mittels Plasmatechnik aufgebracht.
• 49. Vergleichen Sie die molekulare Struktur von Graphit, Diamant und Fulleren. Graphit: Hexagonale Struktur, stabilste Lösung für zwei Dimensionen Diamant: Tetraedrische Umgebung der C-Atome, verankert durch 4 starke Bindungen (hohe Stabilität) Fulleren: Hohlmoleküle, angeordnet aus Hexagonen und Pentagonen  
• 50. Wie ist der Buckyball aufgebaut? Hohlmolekül, angeordnet aus Hexagonen und Pentagonen --> Fußballmolekül
• 51. Beschreiben Sie die Struktur von Graphit. Die kristallinen, ebenen Schichten verlaufen parallel und liegen als sogenannte „Basalebenen“ oder „Graphen-Schichten“ vor Eine Schicht besteht aus kovalent-verknüpften Sechsecken.
• 52. Was versteht man unter Graphen? Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur. Jedes Kohlenstoffatom ist im Winkel von 120° von drei weiteren umgeben à bienenwabenförmiges Muster. (Kohlenstoff ist vierwertig, je „Wabe“ treten zwei Doppelbindungen auf. Es handelt sich um eine Verkettung von Benzolringen, wie sie in aromatischen Verbindungen oft auftritt.)
• 53. Wie kann Graphen hergestellt werden? (Erste erfolgreiche Methode) Klebebandtest Klebestreifen wird auf Graphitfläche gepresst und schnell abgezogen. Herauslösbare Elemente bleiben im Klebstoff zurück. Dieses Klebeband wird dann auf einen mit Fotolack beschichteten Silicium-Wafer gedrückt und nochmals abgezogen. Nach dem Entfernen des Klebebands bleiben dünne Graphitpartikel auf der Oberfläche der Fotolackschicht zurück.
• 54. Nennen Sie Allotrope von Graphen. Nanotubes – Zu Röhren gebogenes Graphen (Potential: anderes Material in Hohlraum à andere Eigenschaften)Fullerene/BuckyballEinzelne Schichten
• 55. Nennen Sie die Eigenschaften von Graphen. Graphen-Flächenkristalle sind innerhalb der Flächen außerordentlich steif und fest (-> Zugfestigkeit)Sehr leichtFast durchsichtigSehr hohe elektrische LeitfähigkeitSehr biegsam

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