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Winzige Strukturen – große Wirkung

Materialwissenschaftler der Universität Jena gestalten Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern durch Laserstrukturierung

Die Oberfläche von Materialien kann einen enormen Einfluss auf deren Funktion haben. Verändert man die äußere Beschaffenheit, so erweitert man auch die Bandbreite der Verwendungsmöglichkeiten. Deshalb erforschen Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena, wie sie die Oberfläche verschiedener Werkstoffe mit Lasertechnik gestalten können. Sie konzentrieren sich dabei vor allem auf laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen, nach ihrer englischen Bezeichnung auch LIPSS („laser-induced periodic surface structures“) genannt. Mit dieser Methode lassen sich besonders feine Strukturen hervorrufen. Über einen ganz besonderen Erfolg auf diesem Gebiet berichten sie aktuell in der renommierten Fachzeitschrift „Carbon“.
„Bestrahlt man eine Oberfläche mit einem Femtosekundenlaser – also einem Laser mit sehr kurzen Lichtpulsen –, so bilden sich an dem Punkt, an dem der Laserstrahl auf die Oberfläche trifft, charakteristische Strukturen aus“, erklärt Dr. Stephan Gräf vom Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Universität Jena. „Interferenzeffekte in diesem Fokuspunkt rufen die LIPSS hervor.“ Diese Strukturen seien viel kleiner als die, die man durch normale Laserstrukturierung erreiche, da sich ein Laserstrahl nicht beliebig klein fokussieren lässt. Die Größe der Strukturen hängt unter anderem von der Laserintensität und der verwendeten Laserwellenlänge ab. Verändert man also die Parameter der Laserstrahlung, lassen sich die Strukturen nahezu maßgeschneidert aufbringen. Durch das Abrastern der gesamten Oberfläche mit dem Laserstrahl wird sie vollständig mit dem periodischen „Muster“ versehen.

Jetzt auch auf gekrümmten Oberflächen
Generell funktioniert die Methode auf vielen verschiedenen Materialklassen – bisher allerdings konnte sie nur auf ebenen Flächen angewendet werden. Den Jenaer Forschern ist es nun gelungen, auch gekrümmte Oberflächen mit den laserinduzierten periodischen Strukturen zu versehen. „Wir haben LIPSS auf der Oberfläche etwa zehn Mikrometer dünner Kohlenstofffasern aufgetragen – deren Durchmesser ist dabei kaum größer als die aufgebrachten Strukturen selbst“, sagt Gräf. „Außerdem konnten wir verschiedene Strukturtypen übereinanderlegen und somit die Oberfläche hierarchisch gestalten.“
Durch diese aktuellen Forschungsergebnisse bieten sich ganz neue Möglichkeiten für die Praxis. So werden etwa die Kohlenstofffasern bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen in andere Materialien eingebettet. Um die Festigkeit der Verbundwerkstoffe zu verbessern, werden sie bisher beispielweise mit Chemikalien behandelt. Durch die LIPSS lässt sich nun ihre Oberflächentopographie gezielt verändern, so dass es zu einem Verankern zwischen Polymer und eingebetteten Fasern kommen kann.

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Redaktion: Dipl.-Ing. Fahima Fischer
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