DE102012017503A1

DE102012017503A1 - Verfahren zur Nanostrukturierung von anorganischen und organischen Materialien durch kontinuierliche Bestrahlung mit einem Teilchenstrahl

Info

Publication number: DE102012017503A1
Application number: DE102012017503A
Authority: DE
Inventors: Erhard Brandl; Ante Kurtovic; Tobias Mertens
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2013-12-19
Also published as: DE102012017502B4; DE102012017502A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer anorganische und/oder organische Materialien umfassenden Oberfläche, welche Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich aufweist, durch kontinuierliche Bestrahlung mit einem Teilchenstrahl, ein Werkstück, das eine solche Oberflächenstrukturen umfassende Oberfläche aufweist, sowie die Verwendung eines solchen Werkstücks beim Zusammenfügen oder Beschichten des Werkstücks mit einem weiteren Material.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer anorganische und/oder organische Materialien umfassenden Oberfläche, welche Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich aufweist, ein Werkstück, das eine solche Oberflächenstrukturen umfassende Oberfläche aufweist, sowie die Verwendung eines solchen Werkstücks beim Zusammenfügen oder Beschichten des Werkstücks mit einem weiteren Material.
Hintergrund der Erfindung
Die Benetzbarkeit mit und Haftung von flüssigen, halbfesten und festen Substanzen auf der Oberfläche von Werkstücken beispielweise aus Keramik, Glas, oder Kohlenstoff hängt stark von deren Oberflächenbeschaffenheit ab. Dies ist bei der Behandlung mit oder Aufbringung und Haftung von Materialien wie beispielsweise Klebstoff, Lack, Lot, Knochenzement, Dichtmittel, Haftvermittler, Schichten zum Schutz vor chemischer oder Wärmeeinwirkung oder auch biologischem Gewebe von hoher Bedeutung. Entfettung und anderweitige weitere Reinigung sowie mechanische Aufrauhung erhöhen die Benetzbarkeit und Haftung bis zu einem gewissen Grad. Mit zunehmender Rauigkeit der Oberfläche, d. h. größerer und strukturierterer Oberfläche und dadurch erhöhter chemischer/mechanischer Verankerung aufzubringender Materialien, verbessern sich diese Eigenschaften aber noch wesentlich.
Die EP 0 914 395 B1 , hierin durch Bezugnahme aufgenommen, beschreibt ein Verfahren zur Behandlung einer ungereinigten Metalloberfläche, das die Behandlung der Oberfläche mit einem Organosilan und das Belichten der Oberfläche mit einem Laser umfasst.
Es war ein Ziel der Erfindung, ein einfaches Verfahren möglichst ohne Notwendigkeit des Einsatzes von Chemikalien zur Erzeugung einer guten Rauigkeit auf anorganischen und/oder organischen Oberflächen zu entwickeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Erzeugung einer Oberfläche, welche Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich aufweist, wobei die Oberfläche ein Material umfasst, das aus mindestens einem festen anorganischen Material, mindestens einem anorganisch/organischem Verbundwerkstoffmaterial, mindestens einem festen Kunststoff oder einer Kombination von mindestens zwei derselben ausgewählt ist, bei dem eine das Material umfassende Ausgangsoberfläche, welche noch nicht Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich aufweist und welche für eine Bestrahlung mit einem Teilchenstrahl zugänglich ist und auf welcher die Oberflächenstrukturen zu erzeugen sind, vollständig mit einem kontinuierlichen Teilchenstrahl, der aus einem Elektronen- oder Ionenstrahl oder einem Strahl von ungeladenen Partikeln oder einer Kombination derselben ausgewählt ist, ein- oder mehrmals auf solche Weise abgetastet wird, dass benachbarte Abtastflecke der Strahlenquelle des Teilchenstrahls lückenlos aneinander stoßen oder sich überlappen, wobei die folgenden Bedingungen eingehalten werden: etwa 0,5 ≤ ε₂ ≤ etwa 1550 mit
worin:

P_m:: Mittlere Leistung der auftreffenden Strahlung [W];
v:: Abtastgeschwindigkeit an der Werkstückoberfläche [mm/s];
d:: Durchmesser der energetischen Strahlung an der Materialoberfläche [μm]; mit der Maßgabe, dass d/v < etwa 7000 ns;
α:: Absorption der energetischen Strahlung des bestrahlten Materials [%] bei Normalbedingungen;
T_v:: Verdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur des Materials [K] bei Normaldruck;
c_p:: Spezifische Wärmekapazität [J/kgK] bei Normalbedingungen;
κ:: Spezifische Wärmeleitfähigkeit [W/mK] bei Normalbedingungen und gemittelt über die verschiedenen Raumrichtungen;

Die Erfindung betrifft ferner ein Werkstück, umfassend eine Oberfläche, die ein Material umfasst, das aus mindestens einem festen anorganischen Material, mindestens einem anorganisch/organischem Verbundwerkstoffmaterial, mindestens einem festen Kunststoff oder einer Kombination von mindestens zwei derselben ausgewählt ist ausgewählt ist, bei dem die Oberfläche eine wie durch das vorstehende Verfahren erzeugbare Struktur aufweist.
Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung des vorgenannten Werkstücks oder mit einer Oberfläche hergestellt nach dem vorgenannten Verfahren beim Zusammenfügen oder Beschichten des Werkstücks mit einem gleichartigen oder verschiedenen Material mit oder ohne Klebstoff.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die 1 bis 14 sind Rasterelektronenmikrographien, die unbehandelte und behandelte Oberflächen zeigen, wie in den Beispielen 1 bis 4 näher erläutert.
Die 15 und 16 sind schematische Darstellungen von möglichen Mechanismen des Verfahrens der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Wie eingangs erwähnt, ist die Aufrauhung bzw. Strukturierung im Submikrometer-Bereich von Oberflächen für eine gute Haftung von Klebstoffen, Lacken, biologischem Gewebe und sonstigen Beschichtungen, wie Wärmeschutzschichten und metallischen Haftvermittlerschichten, essentiell.
Es wurde nun überraschend gefunden, dass lediglich durch eine einmalige oder mehrmalige Bestrahlung mit einem kontinuierlichen Teilchenstrahl unter den im vorstehend beschriebenen Verfahren genannten Bedingungen sub-mikrostrukturierte (oder nanostrukturierte) Oberflächen der genannten Art erzeugt werden können, die für eine ausgezeichnete Haftung z. B. von Klebstoffen, Lacken, Lot, Dichtmittel, Knochenzement, Haftvermittler oder biologischem Gewebe sowie von Beschichtungen, wie Beschichtungen zum Schutz vor chemischer oder Wärmeeinwirkung, sorgen.
Wenn zwei Werkstücke mit einer wie oben beschriebenen Oberfläche oder ein solches Werkstück mit einem anderen Werkstoff unter Druck miteinander verbunden werden, kann auch die Haftung dieser gefügten Materialien erhöht werden, wenn auf mindestens einer Seite erfindungsgemäß Nanostrukturen erzeugt worden sind.
Die erfindungsgemäß erzeugten, mit Oberflächenstrukturen versehenen Oberflächen können je nach Ausführungsform im Allgemeinen offenporige, zerklüftete und/oder fraktalartige Nanostrukturen, wie offenporige Berg- und Tal-Strukturen, offenporige hinterschnittene Strukturen und blumenkohl- oder knollenartige Strukturen, aufweisen. Mindestens etwa 80%, bevorzugt mindestens etwa 90%, noch bevorzugter mindestens etwa 95% Erhebungen weisen eine Größe < 1 μm auf, die sich zum Beispiel im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 200 nm bewegt. Mindestens etwa 80%, bevorzugt mindestens etwa 90%, noch bevorzugter mindestens etwa 95% der Zwischenräume weisen ebenfalls Breiten < etwa 1 μm auf, z. B. etwa 10 nm bis etwa 50 nm. Die Länge der ”Täler” bei Berg- und Tal-Strukturen beträgt jedoch häufig mehr als etwa 1 μm.
Derartige Nanostrukturen bedecken in der Regel zumindest etwa 90% der als Ebene berechneten Oberfläche, bevorzugt mindestens etwa 95%. Bei optimal abgestimmten Prozessparametern (insbesondere Abtastgeschwindigkeit und Fokusdurchmesser) kann die Nanostruktur sogar etwa 100% der als Ebene berechneten Oberfläche bedecken. Bei Verbundwerkstoffen, bei denen an der Oberfläche sowohl die Matrix als auch das der Matrix einverleibte Material, z. B. anorganische Fasern, vorliegen, kann es auch vorteilhaft sein, nur die Matrix oder nur das einverleibte Material zu strukturieren. In diesem Fall bezieht sich die vorstehend erwähnte Oberfläche auf die Oberfläche allein der Matrix oder allein des einverleibten Materials, wie anorganische Fasern.
Das Abtasten der Ausgangoberfläche mit dem Teilchenstrahl kann einmal oder mehrmals hintereinander mit denselben Prozessparametern und demselben Teilchenstrahl oder mit unterschiedlichen Prozessparametern mit demselben Teilchenstrahl oder mit unterschiedlichen Teilchenstrahlen mit denselben Prozessparametern oder mit unterschiedlichen Prozessparametern durchgeführt werden. Durch mehrmaliges Abtasten kann unter Umständen eine noch feinere Struktur erzeugt werden.
Es sollte noch erwähnt werden, dass naturgemäß nur solche Oberflächenbereiche behandelt werden können, die von einem Teilchenstrahl erreicht werden können. Bereiche, die vollständig ”im Schatten” (z. B. bei hinterschnittenen Geometrien) liegen, können auf die hierin beschriebene Weise nicht strukturiert werden.
Gewöhnlich wird die Ausgangsoberfläche, die Material umfasst, das aus mindestens einem festen anorganischen Material, mindestens einem anorganisch/organischem Verbundwerkstoffmaterial, mindestens einem festen Kunststoff oder einer Kombination von mindestens zwei derselben ausgewählt ist (nachstehend zusammenfassend als das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial bezeichnet), vor dem Abtasten mit dem Teilchenstrahl nicht vorbehandelt oder gereinigt, obwohl dies nicht ausgeschlossen wird; z. B. kann die Oberfläche mit einem Lösungsmittel gereinigt werden. Auf keinen Fall wird sie jedoch wie in der EP 0 914 395 B1 beschrieben vor dem Abtasten mit einem Haftvermittler, wie beispielsweise einem Silanhaftvermittler, einem Titanat, wie Titatetraisopropylat oder Titanacetylacetonat, einem Zirconat, wie Zirconiumtetrabutylat, einem Zirconiumaluminat, einem Thiazol, einem Triazol, wie 1H-Benzotriazol, einem Phosphonat oder einem Sulfonat, zur Erhöhung der Haftfestigkeit an ein mit der Oberfläche zu verbindendes oder auf diese aufzubringendes Material behandelt. Auch nach dem Abtasten wird kein Haftvermittler, zur Erhöhung der Haftfestigkeit aufgetragen, bevor die Oberfläche mit einer anderen Oberfläche verbunden und/oder eine Beschichtung, wie ein Klebstoff, Lack, Lot, Knochenzement, Dichtmittel oder biologisches Gewebe und/oder eine sonstige Beschichtung, bei der es sich z. B. um einen Schutzüberzug, schmutzabweisenden oder Anti-Haftungsüberzug, Überzug zum Schutz vor chemischer oder Wärmeeinwirkung oder sonstigen funktionellen Überzug handeln kann, anhaften gelassen und/oder aufgebracht wird.
Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial aus mindestens einem Metall, mindestens einer Metalllegierung, mindestens einem Metallchalkogenid, mindestens einem Metallsalz, mindestens einer metallhaltigen Stickstoff-, Phosphor-, Arsen- und/oder Antimonverbindung, mindestens einem Halbmetall oder einer Legierung desselben, mindestens einer Keramik, mindestens einem Keramik-Grünvorkörper, mindestens einem anorganischen Glas, Kohlenstoff, mindestens einem Fasern und/oder nicht faserigen Kohlenstoff und/oder Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoff mit Keramik-, Kunststoff- und/oder Kohlenstoffmatrix, mindestens einem Grünvorkörper eines solchen Verbundwerkstoffs, mindestens einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, mindestens einem Verbundwerkstoff aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, das bzw. die wärmeleitende kohlenstoffhaltige und/oder Bornitrid-haltige Teilchen und/oder Fasern enthält und zumindest teilweise mit einer Oxidschicht überzogen sein kann, mindestens einem Kunststoff oder einer Kombination von mindestens zwei derselben ausgewählt.
Das Metall oder die Metalllegierung, bei dem bzw. der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, unterliegt keinen Beschränkungen. Es bzw. sie kann beispielsweise aus Eisen, Aluminium, Magnesium Tantal, Kupfer, Nickel oder Titan oder einer Legierung derselben ausgewählt sein, z. B. aus Ti-6Al-4V, Rein-Titan, Mg-4Al1-Zn, Ta-10W, Cu-OF, CuZn37, Al2024 (Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn), V2A-Stahl (X5CrNi18-10) und Inconel 718^® (hochwarmfeste Nickellegierung mit Ni-19Cr-18Fe-5Nb-3Mo-0,05C (Werkstoffnr. 2.4668)) ausgewählt sein. Weniger bevorzugt sind die sehr reaktiven Alkalimetalle, als Cäsium, Rubidium, Kalium und Natrium, obwohl sie grundsätzlich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden können.
Die Metallchalkogenide (also Oxide, Sulfide, Selenide und Telluride) können in sehr dünner Schicht auf dem Grundmetall oder der Grundmetalllegierung vorliegen. Dies gilt insbesondere für Oxid-Passivierungsschichten.
Ähnliches gilt für metallhaltigen Stickstoff-, Phosphor-, Arsen- und/oder Antimonverbindung, bei denen insbesondere Metallnitrid-Schutzschichten auf dem Grundmetall oder der Grundmetalllegierung sehr dünn sein können.
Bei den Metallsalzen kann es sich um alle bekannte Metallsalze handeln, beispielsweise um Halogenide, wie Chloride, Sulfate, Nitrate, Phosphate und andere Komplexanionen und Salze mit gemischte Kationen und/oder Anionen Erfindungsgemäße Oberflächen können Halbmetalle wie Beryllium, Bor und Silicium, deren Legierungen mit sich selbst oder mit Metallen und feste Verbindungen mit Nicht-Metallen umfassen.
Die Keramik oder die Keramik der Keramikmatrix des Verbundwerkstoffes, aus der das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, kann aus allen bekannten Keramiken ausgewählt sein. Dazu gehören Silikatkeramiken, Oxidkeramiken, wie Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid (Mullit), SiOC, Berylliumoxid, Zirconium(IV)oxid und Aluminiumtitanat und Gemische derselben, wie Al₂O₃-SiO₂/SiOC, nichtoxidische Keramiken, wie Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Siliciumnitrid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, SiCN und Molybdändisilicid und Keramiken aus Gemischen der vorstehenden Keramiken.
Das erfindungsgemäße Keramik-Oberflächenmaterial kann auch ein Keramiküberzug sein.
Weitere Keramikmaterialien (ohne Anspruch auf Vollständigkeit), die insbesondere, aber nicht nur, als Überzüge verwendet werden, sind die Carbide B₄C, TiC, TaC, HfC, ZrC, Cr₃C₂, Al₄C₃, MoC2, NbC und VC, die Nitride TiN, CrN_1-x, CrN, Li₃N. TaN, und ZrN, die Silicide WSi₂ und ZrSi₂, die Boride ZrB₂, HfB₂, TiB₂, LaB₆, Cr_B, CrB₂, AlB₂, MgB₂ und SiB₆ und die Oxide CaO, MgO, ThO₂, TiO₂, P₂O₅, SiAlON, Y₂O₃, HfO₂, ZrO₂ und B₂O₃.
Bei dem Kunststoff oder dem Kunststoff der Kunststoffmatrix des Verbundwerkstoffes, aus dem das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, handelt es sich im Allgemeinen um Thermoplasten und Thermoplasten-Gemische, wie Poyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyester oder Polyetheretherketon oder Gemische derselben, Elastomere, thermoplastische Elastomere und deren Gemische, wie Blockcopolymere aus Styrol und Polyolefinen, und Duroplasten oder deren Gemische, wie Bakelit, Polyesterharze, Polyurethanharze und Epoxidharze und deren Gemische, sowie Gemisch der vorgenannten Kunststoffe.
Bei dem Kohlenstoff oder dem Kohlenstoff der Kohlenstoffmatrix des Verbundwerkstoffes, aus dem das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, handelt es sich in der Regel um härtere Kohlenstoffvarianten, wie glasartigen Kohlenstoff, diamantartigen Kohlenstoff, pyrolytisch hergestellten Graphit oder durch Dampfabscheidung oder chemische Dampfabscheidung (vapor deposition oder chemical vapor deposition) hergestellten Kohlenstoff.
Bei den Verbundwerkstoffen, die das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial bilden können, kann es sich um Fasern enthaltende (faserverstärkte) Verbundwerkstoffe mit den oben genannten Matrices handeln sowie Mischungen daraus.
Bei den Verbundwerkstoff-Fasern kann es sich um alle Fasern handeln, die der Fachmann für den Einsatz in Verbundwerkstoffen kennt. Dazu zählen insbesondere Carbonfasern, Glasfasern, Keramikfasern und organische Fasern. Die Fasern können kurz oder lang oder endlos sein und können zu Rovings (Multifilamenten) verbunden sein.
Besonders bevorzugte Keramikfasern basieren auf Oxidkeramikfilament-Fasern, insbesondere Al₂O₃- oder Al₂O₃/SiO₂(Mullit)-Faser und/oder Nicht-Oxidkeramikfilament-Fasern, insbesondere SiC-, SiCN- und SiBNC-Faserarten.
Bevorzugte organische Fasern sind Aramidfasern. Es können aber auch andere Fasern aus künstlichen und natürlichen Polymeren eingesetzt werden.
Häufig sind die Fasern in den faserverstärkten Verbundwerkstoffen beschichtet, um eine schwache Faser-Matrix-Grenzflächenwechselwirkung zu gewährleisten. Das ist in der Regel für ein gutes mechanisches Verhalten sowie für einen Faserschutz erforderlich. Derartige Beschichtungen können z. B. aus pyrolytischem Kohlenstoff, SiC, BN, LaPO₄, CePO₄, CaWo₄, ZrO₂, Mullit, Al₂O₃, Magnetoplumbite, α-Aluminat-Strukturen, LaAl₁₁O₁₈, CaAl₁₂O₁₉, BaMg₂Al₁₆,O₂₇, KMg₂Al₁₅O₂₅, Lanthan- und Calciumhexaaluminate, Hexalaluminate, organometallische Verbindungen oder Gemische und/oder Multilayer daraus ausgewählt sein.
Die faserverstärkten Verbundwerkstoffe können noch zusätzliche inerte oder passive Füllstoffe enthalten, z. B. Keramikpulver, das nicht mit der Keramikmatrix, falls verwendet, verbunden ist.
Unter nicht faserigen Kohlenstoff und/oder Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoffen mit Keramik-, Kunststoff- oder Kohlenstoffmatrix, aus denen das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, versteht man Keramik- oder Kohlenstoffmatrices, die mit kohlenstoffartigen Teilchen außer Carbonfasern versehen sind. Zu diesen kohlenstoffhaltigen Teilchen gehören insbesondere graphitartige Teilchen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Fullerene und diamantartige Teilchen. Bei dem Bornitrid handelt es sich bevorzugt um Teilchen aus kubischem Bornitrid.
Auch Grünvorkörper von Keramiken und von Fasern und/oder Kohlenstoff und/oder Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoffen mit Keramik-, Kunststoff- und/oder Kohlenstoffmatrix können mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur versehen werden.
Die Oberflächen von Grünvorkörper von Keramiken wie Silikatkeramiken und Oxidkeramiken, die ja nur getrocknet aber nicht gebrannt sind, werden durch die Behandlung mit Strahlung nanostrukturiert und zumindest teilweise im Teilchenstrahl gebrannt, wodurch sich Ihre Oberflächenzusammensetzung ändert.
Bei den genannten Verbundwerkstoffen kommen insbesondere die Grünvorkörper für eine erfindungsgemäße Teilchenstrahlbehandlung in Frage, die durch die Polymerinfiltrationstechnik hergestellt sind (siehe zum Beispiel W. D. Vogel et al, Cost effective production techniques for continuous fibre reinforced ceramic matrix composites, Ceramic Processing Science and Technology, 51, 1995, S. 225–259, und A. Mühlratzer, Entwicklung zur kosteneffizienten Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit keramischer Matrix, Porceedings Verbundwerkstoffe Wiesbaden, 1990, S. 22.1–22.39, beide hierin vollständig durch Bezugnahme aufgenommen). Bei diesem Verfahren werden pyrolysierbare Polymervorläufer für die Matrix, die in die Fasern oder Faser-Vorläufer infiltriert werden, bei mäßigen Temperaturen, z. B. 100–300°C, und Drücken im Bereich von beispielweise 10–20 bar vernetzt, so dass eine fester Verbund aus vernetztem Polymer und Faser oder Faservorläufer entsteht. Dieser kann dann mit dem Verfahren der Erfindung behandelt werden, wobei auf der Oberfläche Nanostrukturen entstehen, die durch den Teilchenstrahl noch weiter gehärtet und chemisch modifiziert sind. In diesem Zustand wird die Oberfläche des Grünvorkörpers dann wie nachstehend beschrieben weiterbehandelt, z. B. mit Klebstoff beschichtet und mit einer anderen Oberfläche vereinigt. Erst anschließend wird die Pyrolyse des Vorläufermaterials zu einer Keramik vorgenommen.
Bei einem weiteren Verbundwerkstoff, aus dem das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, handelt es sich um Metalle und/oder Metalllegierungen, die wärmeleitende kohlenstoffhaltige und/oder Bornitridhaltige Teilchen und/oder Fasern enthalten und zumindest teilweise mit einer Oxidschicht überzogen sein können. Bei diesen Fasern und Teilchen kann es sich insbesondere um Carbonfasern, graphitartige Teilchen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, diamantartige Teilchen, Fasern aus Bornitrid und Teilchen aus kubischem Bornitrid handeln.
Auch mit Metall modifizierte Keramiken, also Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe, können das erfindungsgemäße Material bilden.
Bei der Atmosphäre, in der gearbeitet wird, kann es sich um Vakuum oder ein gegenüber der Oberfläche unter den Verfahrensbedingungen inertes Gas oder Gasgemisch handeln, wie ein Edelgas, z. B. Argon, Helium oder Neon, oder in vielen Fällen auch Stickstoff, Luft oder CO₂, oder ein Gemisch derselben, wobei der Druck im Allgemeinen im Bereich von etwa 10^–17 bar bis etwa 10^–4 bar, wenn im Vakuum ohne Zugabe eines speziellen Gases gearbeitet wird, oder von etwa 10^–6 bar, bis etwa Atmosphärendruck, wenn in einer Atmosphäre aus einem Gas oder Gasgemisch gearbeitet wird, liegt und die Temperatur außerhalb des Teilchenstrahls im Bereich von etwa –50°C bis etwa 350°C liegt. Die Atmosphäre kann also so ausgewählt werden, dass sie insbesondere gegenüber dem erfindungsgemäßen Oberflächenmaterial unter den Arbeitsbedingungen von Druck und Temperatur inert ist, das heißt keine Reaktion mit dem Oberflächenmaterial eingeht. Dabei kann es sich in vielen Fällen zum Beispiel um Umgebungsatmosphäre bei Umgebungsdruck und -temperatur handeln, was bevorzugt wird, wenn es die gegebene Oberfläche zulässt. Der Fachmann weiß, unter welchen Bedingungen ein gegebenes Oberflächenmaterial inert ist und/oder kann dies durch geeignete Analyseverfahren, wie X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), EDX (energy dispersive X-ray analysis), FTIR-Spektroskopie, Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS), EELS (electron energy loss spectroscopy), HAADF (high angle annular dark field) oder NIR (near infrared spectroscopy) in Erfahrung bringen.
Das Verfahren aber auch in einer Atmosphäre durchgeführt werden, die ein reaktives Gas umfasst, durch das das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial chemisch modifiziert wird. Zu den reaktiven Gasen, in denen das Verfahren durchgeführt werden kann, gehören beispielsweise anorganische Gase oder Gasgemische, wie z. B. Wasserstoff, Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Halogene, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Distickstoffmonoxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Borane und/oder Silane (z. B. Monosilan und/oder Disilan).
Organische Gase oder Gase mit organischen Gruppen können ebenfalls eingesetzt werden. Dazu gehören z. B. niedere, gegebenenfalls halogenierte Alkane, Alkene und Alkine, wie Methan, Ethan, Ethen (Ethylen), Propen (Propylen), Ethin (Acetylen), Methylfluorid, Methylchlorid und Methylbromid, sowie Methylamin und Methylsilan. Auch eine Mischung eines anorganischen und organischen oder organische Gruppen enthaltenden Gases kann verwendet werden.
Wenn ein Gasgemisch vorliegt, genügt es, dass ein Gasbestandteil desselben oder eine Mischung von mehreren Gasbestandteilen ein reaktives Gas ist; bei dem Rest kann es sich um ein inertes Gas, in der Regel ein Edelgas, handeln. Die Konzentration des reagierenden Gases oder Gasgemisches kann von wenigen ppb, z. B. 5 ppb, bis zu mehr als 99 Vol.-% variieren.
Die Auswahl des reaktiven Gases oder Gasgemisches hängt natürlich von der beabsichtigten Modifikation des erfindungsgemäßen Oberflächenmaterials ab. Wenn eine oxidhaltige Oberfläche reduziert werden soll, um z. B. Hydroxidgruppen einzuführen, wird man natürlich ein reduzierendes Gas wie Wasserstoff als reaktives Gas (gegebenenfalls in Mischung mit einem inerten Gas) verwenden. Für eine Oxidation der Oberfläche wird man hingegen z. B. ein sauerstoffhaltiges Gas in Betracht ziehen. Dem Fachmann ist bekannt, welches reaktive Gas er wählen muss, um damit bei einem gegebenen erfindungsgemäßen Oberflächenmaterial einen gewünschten Effekt zu erzielen.
Der Druck des reaktiven Gases oder Gasgemisches, das gegebenenfalls nur einen reaktiven Gasanteil umfasst, liegt im Allgemeinen im Bereich von etwa 10^–6 bar bis etwa Umgebungsdruck. Es kann bei Gastemperaturen gearbeitet werden, die außerhalb des Teilchenstrahls im Allgemeinen im Bereich von etwa –50°C bis etwa 350°C liegen. Im Teilchenstrahl können natürlich wesentlich höhere Temperaturen entstehen.
Eine erfolgte chemische Modifikation eines gegebenen erfindungsgemäßen Oberflächenmaterials kann durch geeignete Analyseverfahren, wie X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), EDX (energy dispersive X-ray analysis), FTIR-Spektroskopie, Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS), EELS (electron energy loss spectroscopy), HAADF (high angle annular dark field) oder NIR (near infrared spectroscopy) in Erfahrung gebracht werden.
Der Werte von ε₂, die sich aus den Parametern der oben angegebenen Gleichung ergeben müssen, damit die erfindungsgemäß angestrebte Oberflächenstrukturierung erzeugt wir, liegen bevorzugt bei etwa 0,7 ≤ ε₂ ≤ etwa 1400, mehr bevorzugt bei etwa 0,9 ≤ ε₂ ≤ etwa 1100.
Der beim erfindungsgemäßen Verfahren vorliegende Druck liegt im Allgemeinen im Bereich von etwa 10^–17 bar bis etwa Atmosphärendruck und die Temperatur liegt im Allgemeinen im Bereich von etwa –50°C–etwa 350°C.
Verdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur bei Normaldruck T_V, die spezifische Wärmekapazität c_p bei Normalbedingungen, die spezifische Wärmeleitfähigkeit κ bei Normalbedingungen des erfindungsgemäßen Materials und die Absorption der Strahlung des bestrahlten erfindungsgemäßen Material α bei Normalbedingungen, die in den oben erwähnten Ausdruck für ε₂ einzusetzen sind, sind demnach einfach Materialeigenschaften des bestrahlten erfindungsgemäßen Materials. Beim Vorliegen sehr dünner Schichten eines Metall- oder Metalllegierungs-Chalkogenids oder einer Metall- oder Metalllegierungsverbindung mit einem Element der fünften Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, z. B. einer dünnen Oxid- oder Nitrid-Passivierungsschicht auf demselben Metall oder derselben Metalllegierung, die sofort reduziert oder auf andere Weise zersetzt wird, werden die Daten des bzw. der zugrunde liegenden Metalls oder Metalllegierung verwendet.
Im Folgenden werden bevorzugte Parameter des Verfahrens der Erfindung angegeben. Es muss betont werden, dass alle Parameter unabhängig voneinander variiert werden können.
Die mittlere Leistung der austretenden Strahlung P_m beträgt vorzugsweise etwa 1 W bis etwa 25.000 W, mehr bevorzugt etwa 20 W bis etwa 9500 W.
Die Abtastgeschwindigkeit an der Werkstückoberfläche v beträgt vorzugsweise etwa 100 mm/s bis etwa 8.000.000 mm/s, mehr bevorzugt etwa 200 mm/s bis etwa 7.000.000 mm/s.
Der Durchmesser des Teilchenstrahls am Werkstück d beträgt vorzugsweise etwa 20 μm bis etwa 4500 μm, mehr bevorzugt etwa 50 μm bis etwa 3500 μm.
Das Verhältnis von Strahldurchmesser zu Abtastgeschwindigkeit unterliegt einer Beschränkung, es muss nämlich d/v < etwa 7000 ns sein.
Es wird geglaubt – jedoch ohne dass man an eine Theorie gebunden sein will – des physikalischen Mechanismus wie folgt sein könnte: Im erfindungsgemäßen Bereich geht durch das Auftreffen der hochenergetischen Strahlung auf der Substratoberfläche ein Teil des Substrats in eine Dampf- und/oder Plasmaphase über. Dabei werden mögliche Begleitelemente des Substrats (z. B. Kontaminationen) sowie eine mögliche Passivschicht (z. B. Oxidschicht) ebenfalls in die Dampf- und/oder Plasmaphase überführt. Ein anderer Teil des Substrats wird erhitzt und senkt seine Viskosität deutlich (bevorzugt schmelzflüssige Phase). Die Dampf- bzw. Plasmaphase kondensiert und/oder erstarrt durch homogene Keimbildung in der Atmosphäre (insbesondere durch Koagulations- und Koaleszenzvorgänge) oder heterogene Keimbildung an der Substratoberfläche zu flüssigen und/oder festen Nanopartikeln. Die sich auf der niedrig viskosen Substratoberfläche niederschlagenden Nanopartikel werden durch die anschließende und langsamer als der Nanopartikelniederschlag verlaufende Abkühlung der Substratoberfläche stoffschlüssig mit der Substratoberfläche verbunden. Es entsteht eine offenporige, zerklüftete Oberfläche mit Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich.
Dieser mögliche Mechanismus ist in 15 für die Verfahrensführung im Vakuum oder in einem inerten Gas und in 16 für die Verfahrensführung einem reaktiven Gas, bei der die chemische Zusammensetzung der Oberfläche modifiziert wird, schematisch erläutert.
Die erfindungsgemäß erzeugten, die oben beschriebenen Nanostrukturen aufweisenden Oberflächen sorgen für eine ausgezeichnete Haftung von Klebstoffen, Lacken und sonstigen Beschichtungen. Wenn auf mindestens einem Werkstück mit einer Oberfläche, die erfindungsgemäßes Oberflächenmaterial umfasst, erfindungsgemäß Nanostrukturen erzeugt worden sind, können zwei derartige Werkstücke oder ein derartiges Werkstück mit einem mit einem Werkstück mit einer Oberfläche aus einem anderen Werkstoff durch bloßes Fügen unter erhöhtem Druck bei Raumtemperatur oder bei erhöhten Temperaturen mit zufriedenstellender Haftung miteinander verbunden werden.
Die Nanostrukturierung der erfindungsgemäßen Oberflächen ohne oder mit chemischer Modifikation kann aber auch für andere Zwecke als die Verbesserung der Haftung erfolgen. Allgemein können mit ihr Änderungen der physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkung der Oberfläche mit Licht oder Materie erzielt werden. Zum Beispiel kann die Nanostrukturierung mit einer Veränderung der Farbe oder Emissivität oder elektrischen Leitfähigkeit oder Korrosionspotential der Oberfläche einhergehen. Die starke Erhöhung der Oberfläche sowie die Bildung von schmalen Graten enthaltenden Oberflächenstrukturen durch die Nanostrukturierung kann auch eine starke Erhöhung von katalytischen Wirkungen der Oberfläche selbst oder einer dünnen und/oder nanoskaligen Beschichtung auf derselben zur Folge haben, da heterogene Katalyse bekanntlich ein Oberflächenphänomen ist. Auch rein physikalische Phänomene, wie die Erhöhung der Zahl der Punkte, an denen sich Kristallkeime oder Blasenkeime bilden können, können genutzt werden. Ein Beispiel aus dem Alltag wäre ein Bier- oder Sektglas oder eine Cappuccino-Tasse mit nanostrukturierter Oberfläche, das bzw. die zu einem verbesserten Aufschäumverhalten des Getränks führt.
Ein Beispiel für besonders bevorzugte Werkstücke mit erfindungsgemäß hergestellter Oberfläche ohne oder mit chemischer Modifikation sind Keramik- oder Keramikverbundstoffprothesen und Keramik- oder Keramikverbundstoffimplantate. Ihre nanostrukturierte Oberflächen sorgen dafür, dass die biologischen Materialien im Körper, mit denen sie verwachsen sollen, hervorragend an den Oberflächen haften.
Die Verwendung eines Werkstücks mit erfindungsgemäß hergestellter Oberfläche ohne oder mit chemischer Modifikation beim Beschichten des Werkstücks mit einem gleichartigen oder verschiedenen Material mit oder ohne Klebstoff ist ein weiterer Aspekt der Erfindung. Bei der Beschichtung kann es sich um jede beliebige geeignete Beschichtung für ein erfindungsgemäßes Oberflächenmaterial handeln und sie kann durch jegliche geeignete Weise aufgebracht werden. Als ausgewählte Beispiele werden Lote, durch thermisches und nicht-thermisches Spritzen aufgebrachte Beschichtungen, Beschichtungen über Nasschemie oder Gasphase (z. B. PVD), Beschichtungen mit glasartigen Materialien, Keramiken und organische Materialien, einschließlich biologischer Materialien oder biologischen Gewebes, die gegebenenfalls direkt auf der erfindungsgemäß hergestellten Oberfläche erzeugt werden, genannt.
Die Oberfläche von Grünvorkörper wird vor dem Brennen gegebenenfalls mit Klebstoffen, Lacken und sonstigen Beschichtungen versehen und, falls gewünscht mit der Oberfläche eines zweiten Werkstückes verbunden. Das Brennen wird anschließend vorgenommen. Dies kann z. B: dann gegenüber der Verbindung von gebrannter Keramik mit einer Beschichtung oder einem zweiten Werkstück von Vorteil sein, wenn dadurch Spannungen an der Grenzfläche vermindert werden oder die Festigkeit erhöht wird.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu beschränken.
BEISPIELE
Beispiel 1: Oberflächenstrukturierung der Magnesiumlegierung AZ31 (Mg-3Al-1Zn) durch kontinuierliche Elektronenstrahlung
Die 1a und 1b zeigen eine Draufsicht auf eine unbehandelte Oberfläche von Mg-3Al-1Zn.
Derartige Oberflächen wurden unter den folgenden Versuchsbedingungen mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung abgetastet.
Versuchsbedingungen A
Die Oberfläche wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) einmal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet:
P_m: 3500 W; κ: 170 W/mK; α: 85%; d: 150 μm; v: 6.200.000 mm/s; T_v: 1375 K; c_p: 1023 J/kgK;
d/v = 24 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 250 liegt im erfindungsgemäßen Bereich.
Auf dem Mg-3Al-1Zn-Substrat entsteht eine nanoporige Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat, wie in Draufsicht in 2 gezeigt.
3 zeigt in Schrägansicht auf die Bruchkante die stoffschlüssige Verbindung der nanoporigen Mg-3Al-1Zn-Oberfläche mit dem Substrat im Probenbruch.
Versuchsbedingungen B
Die Oberfläche wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) einmal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet:
P_m: 150 W; κ: 170 W/mK; α: 85%; d: 300 μm; v: 6.200.000 mm/s; T_v: 1375 K; c_p: 1023 J/kgK;
d/v = 48 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 0,16 liegt nicht im erfindungsgemäßen Bereich.
Wie in der Draufsicht der 4 gezeigt, entsteht keine nanoporige Mg-3Al-1Zn-Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat.
Versuchsbedingungen C
Die Oberfläche wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) einmal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet:
P_m: 2000 W; κ: 170 W/mK; α: 85%; d: 150 μm; v: 5.000 mm/s; T_v: 1375 K; c_p: 1023 J/kgK;
d/v = 30.000 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns nicht erfüllt
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 2877 liegt nicht im erfindungsgemäßen Bereich.
Wie in der Draufsicht der 5 gezeigt, entsteht keine nanoporige Mg-3Al-1Zn-Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat.
Beispiel 2: Oberflächenstrukturierung eines keramischer Verbundwerkstoffs mit SiC-Matrix und keramischen C-Fasern durch kontinuierliche Elektronenstrahlung
Die 6a und 6b zeigen eine Draufsicht auf eine unbehandelte Oberfläche von keramischem Faserverbundwerkstoff (C/SiC)
Derartige Oberflächen wurden unter den folgenden Versuchsbedingungen mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung abgetastet.
Versuchsbedingungen A
Die Oberfläche der Matrix und der Fasern wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) dreimal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet, welche für die Oberfläche der Matrix und die Oberfläche der Fasern verschieden gewählt wurden:
Für die SiC Matrix:
P_m: 3500 W; κ: 70 W/mK; α: 95%; d: 200 μm; v: 35.000 mm/s; T_v: 3873 K; c_p: 900 J/kgK; d/v = 5714 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt.
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 986 liegt im erfindungsgemäßen Bereich.
Es entsteht eine nanoporige Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat auf der SiC-Matrix.
Für die C-Faser:
P_m: 3500 W; κ: 100 W/mK; α: 95%; d: 200 μm; v: 35.000 mm/s; T_v: 5103 K; c_p: 750 J/kgK;
d/v = 5714 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 1124 liegt im erfindungsgemäßen Bereich.
Es entsteht eine nanoporige Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat auf der C-Faser.
7 zeigt eine Draufsicht auf die nanoporige Oberfläche des keramischen Faserverbundwerkstoffs (C/SiC).
Versuchsbedingungen B
Die Oberfläche der Matrix und der Fasern wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) dreimal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet, welche für die Oberfläche der Matrix und die Oberfläche der Fasern verschieden gewählt wurden:
Für die SiC Matrix:
P_m: 200 W; κ: 70 W/mK; α: 95%; d: 1000 μm; v: 40.000 mm/s; T_v: 3873 K; c_p: 900 J/kgK;
d/v = 25.000 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist nicht erfüllt.
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 0,27 liegt nicht im erfindungsgemäßen Bereich.
Es entsteht keine nanoporigen Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat auf der SiC-Matrix.
Für die C-Faser:
P_m: 200 W; κ: 100 W/mK; α: 95%; d: 1000 μm; v: 40.000 mm/s; T_v: 5103 K; c_p: 750 J/kgK;
d/v = 25.000 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist nicht erfüllt.
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 0,31 liegt nicht im erfindungsgemäßen Bereich.
Es entsteht keine nanoporige Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat auf der C-Faser.
8: zeigt in Draufsicht, dass keine nanoporige Oberfläche auf dem keramischen Faserverbundwerkstoff (C/SiC) entstanden ist.
Versuchsbedingungen C
Die Oberfläche der Matrix und der Fasern wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) dreimal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet, welche für die Oberfläche der Matrix und die Oberfläche der Fasern verschieden gewählt wurden:
Für die SiC Matrix:
P_m: 4500 W; κ: 70 W/mK; α: 95%; d: 200 μm; v: 35.000 mm/s; T_v: 3873 K; c_p: 900 J/kgK;
d/v = 5714 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 1629 liegt nicht im erfindungsgemäßen Bereich.
Es entsteht keine nanoporige Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat auf der SiC-Matrix.
Für die C-Faser:
P_m: 4500 W; κ: 100 W/mK; α: 95%; d: 200 μm; v: 35.000 mm/s; T_v: 5103 K; c_p: 750 J/kgK;
d/v = 5714 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt.
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 1858 liegt nicht im erfindungsgemäßen Bereich.
Es entsteht keine nanoporige Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat auf der C-Faser.
9: zeigt in Draufsicht, dass keine nanoporige Oberfläche auf dem keramischen Faserverbundwerkstoff (C/SiC) entstanden ist.
Beispiel 3: Oberflächenstrukturierung der Titanlegierung Ti-6Al-4V durch kontinuierliche Elektronenstrahlung
Die 10a und 10b zeigen eine Draufsicht auf eine unbehandelte Oberfläche von Ti-6Al-4V.
Die Oberfläche wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) einmal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet:
P_m: 1800 W; κ: 22 W/mK; α: 95%; d: 40 μm; v: 75.000 mm/s; T_v: 3560 K; c_p: 580 J/kgK;
d/v = 533 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 1450 liegt im erfindungsgemäßen Bereich.
Auf dem Ti-6Al-4V-Substrat entsteht einer nanoporige Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat, wie in Draufsicht in 11 gezeigt.
Beispiel 4: Oberflächenstrukturierung von Stahl V2A (X 5 CrNi18-10) durch kontinuierliche Elektronenstrahlung
Die 12a und 12b zeigen eine Draufsicht auf eine unbehandelte Oberfläche von X 5 CTNi18-10.
Derartige Oberflächen wurden unter den folgenden Versuchsbedingungen mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung abgetastet.
Versuchsbedingungen A
Die Oberfläche wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) einmal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet:
P_m: 4000 W; κ: 80 W/mK; α: 95%; d: 100 μm; v: 600.000 mm/s; T_v: 3173 K; c_p: 450 J/kgK;
d/v = 166 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt.
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 1468 liegt im erfindungsgemäßen Bereich.
Auf dem X 5 CrNi18-10-Substrat entsteht einer nanoporige Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat, wie in Draufsicht in 13 gezeigt.
Versuchsbedingungen B
Die Oberfläche wurde in Vakuumatmosphäre (2·10^–4 mbar) einmal mit kontinuierlicher Elektronenstrahlung unter Verwendung der folgenden Verfahrensparameter abgetastet:
P_m: 5000 W; κ: 80 W/mK; α: 95%; d: 100 μm; v: 600.000 mm/s; T_v: 3173 K; c_p: 450 J/kgK;
d/v = 166 ns, d. h. die Bedingung d/v < 7000 ns ist erfüllt.
Der gemäß Gleichung 1 berechnete Wert von ε₂ = 2295 liegt nicht im erfindungsgemäßen Bereich.
Wie in der Draufsicht der 14 gezeigt, entsteht keine nanoporige X 5 CrNi18-10-Oberflächenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum Substrat.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Hochenergetischer Strahl
3: Dampf- und/oder Plasmaphase des Substrats
4: Bereich des Substrats mit erniedrigter Viskosität
5: Agglomerierte und/oder kondensierte feste oder flüssige Nanopartikel
6: An der Oberfläche des Substrats niedergeschlagene Nanopartikel
7: An der Oberfläche des Substrats festhaftende Nanopartikel
8: Inerte Gasatmosphäre oder Vakuum
10: Substrat
11: Reaktive Gasatmosphäre
12: Hochenergetischer Strahl
13: Dampf- und/oder Plasmaphase des Substrats
14: Bereich des Substrats mit erniedrigter Viskosität
15: Agglomerierte und/oder kondensierte feste oder flüssige, chemisch funktionalisierte Nanopartikel
16: An der Oberfläche des Substrats niedergeschlagene, chemisch funktionalisierte Nanopartikel
17: An der Oberfläche des Substrats festhaftende, chemisch funktionalisierte Nanopartike

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0914395 B1 [0003, 0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. D. Vogel et al, Cost effective production techniques for continuous fibre reinforced ceramic matrix composites, Ceramic Processing Science and Technology, 51, 1995, S. 225–259 [0037]
A. Mühlratzer, Entwicklung zur kosteneffizienten Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit keramischer Matrix, Porceedings Verbundwerkstoffe Wiesbaden, 1990, S. 22.1–22.39 [0037]

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Oberfläche, welche Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich aufweist, wobei die Oberfläche ein Material umfasst, das aus mindestens einem festen anorganischen Material, mindestens einem anorganisch/organischem Verbundwerkstoffmaterial, mindestens einem festen Kunststoff oder einer Kombination von mindestens zwei derselben ausgewählt ist, bei dem eine das Material umfassende Ausgangsoberfläche, welche noch nicht Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich aufweist und welche für eine Bestrahlung mit einem Teilchenstrahl zugänglich ist und auf welcher die Oberflächenstrukturen zu erzeugen sind, vollständig mit einem kontinuierlichen Teilchenstrahl, der aus einem Elektronen- oder Ionenstrahl oder einem Strahl von ungeladenen Partikeln oder einer Kombination derselben ausgewählt ist, ein- oder mehrmals auf solche Weise abgetastet wird, dass benachbarte Abtastflecke der Strahlenquelle des Teilchenstrahls lückenlos aneinander stoßen oder sich überlappen, wobei die folgenden Bedingungen eingehalten werden: etwa 0,5 ≤ ε₂ ≤ etwa 1550 mit
worin: P_m: Mittlere Leistung der auftreffenden Strahlung [VV]; v: Abtastgeschwindigkeit an der Werkstückoberfläche [mm/s]; d: Durchmesser der energetischen Strahlung an der Materialoberfläche [μm]; mit der Maßgabe, dass d/v < etwa 7000 ns; α: Absorption der energetischen Strahlung des bestrahlten Materials [%] bei Normalbedingungen; T_v: Verdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur des Materials [K] bei Normaldruck; c_p: Spezifische Wärmekapazität [J/kgK] bei Normalbedingungen; κ: Spezifische Wärmeleitfähigkeit [W/mK] bei Normalbedingungen und gemittelt über die verschiedenen Raumrichtungen; wobei die Atmosphäre, in der das Verfahren stattfindet, Vakuum, ein gegenüber der Oberfläche unter den Verfahrensbedingungen inertes Gas oder Gasgemisch ist oder ein gegenüber der Oberfläche unter den Verfahrensbedingungen reaktives Gas oder Gasgemisch ist, durch welches das genannte Material, welches von der Oberfläche umfasst wird, bei oder nach dem Abtasten mit dem kontinuierlichen Teilchenstrahl gegenüber seiner Zusammensetzung vor dem Abtasten mit dem kontinuierlichen Teilchenstrahl chemisch modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine feste anorganische Material, mindestens eine anorganisch/organische Verbundwerkstoffmaterial und der mindestens eine feste Kunststoff oder eine Kombination von mindestens zwei derselben aus mindestens einem Metall, mindestens einer Metalllegierung, mindestens einem Metallchalkogenid, mindestens einem Metallsalz, mindestens einer metallhaltigen Stickstoff-, Phosphor-, Arsen- und/oder Antimonverbindung, mindestens einem Halbmetall oder einer Legierung desselben, mindestens einer Keramik, mindestens einem Keramik-Grünvorkörper, mindestens einem anorganischen Glas, Kohlenstoff, mindestens einem Fasern und/oder nicht faserigen Kohlenstoff und/oder Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoff mit Keramik-, Kunststoff- und/oder Kohlenstoffmatrix, mindestens einem Grünvorkörper eines solchen Verbundwerkstoffs, mindestens einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, mindestens einem Verbundwerkstoff aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, das bzw. die wärmeleitende kohlenstoffhaltige und/oder Bornitrid-haltige Teilchen und/oder Fasern enthält und zumindest teilweise mit einer Oxidschicht überzogen sein kann, mindestens einem Kunststoff oder einer Kombination von mindestens zwei derselben ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Druck im Bereich von etwa 10^–17 bar bis etwa Atmosphärendruck liegt und die Temperatur außerhalb des Teilchenstrahls im Bereich von etwa –50°C bis etwa 350°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem etwa 0,2 ≤ ε₂ ≤ etwa 1400, bevorzugt etwa 0,9 ≤ ε₂ ≤ etwa 1100.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Oberfläche vor dem Bestrahlen mit dem Teilchenstrahl nicht vorbehandelt oder gereinigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die mittlere Leistung der austretenden Teilchenstrahlung P_m etwa 1 W bis etwa 25000 W beträgt, bevorzugt etwa 20 W bis etwa 9500 W beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Abtastgeschwindigkeit an der Werkstückoberfläche v etwa 100 mm/s bis etwa 8.000.000 mm/s, bevorzugt etwa 200 mm/s bis etwa 7.000.000 mm/s beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem Durchmesser des Teilchenstrahls am Werkstück d etwa 20 μm bis etwa 4500 μm, bevorzugt etwa 50 μm bis etwa 3500 μm beträgt.
Werkstück, umfassend eine Oberfläche, die ein Material umfasst, das aus mindestens einem festen anorganischen Material, mindestens einem anorganisch/organischem Verbundwerkstoffmaterial, mindestens einem festen Kunststoff oder einer Kombination von mindestens zwei derselben ausgewählt ist ausgewählt ist, bei dem die Oberfläche eine wie durch das Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 erzeugbare Struktur aufweist.
Werkstück nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche offenporige, zerklüftete und/oder fraktalartige Berg- und Tal-, hinterschnittene und/oder knollenartige Strukturen aufweist, deren Abmessungen mit Ausnahme der Tallängen der Berg- und Tal-Strukturen unter 1 μm liegen.
Werkstück nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Keramik oder ein Fasern enthaltender Verbundwerkstoff mit Keramikmatrix ist.
Werkstück nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Prothese oder ein Implantat ist.
Verwendung eines Werkstücks nach einem der Ansprüche 9 bis 12 oder mit einer Oberfläche hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 9 beim Zusammenfügen oder Beschichten des Werkstücks mit einem gleichartigen oder verschiedenen Material mit oder ohne Klebstoff.