Experimentelle Untersuchung der Energiewandlung und des Pumpens in Gasströmungen mittels an nanostrukturierten Elektroden erzeugten Koronaentladungen
Final Report Abstract
Das Projekt hatte ursprünglich zum Ziel, Koronaentladungen an nanostrukturierten Elektroden in EHD-Energiewandlern zu nutzen, um möglichst effizient mechanische in elektrische Energie zu wandeln. Dazu wurden zunächst umfangreiche Untersuchungen mit verschiedenen nanostrukturierten Elektroden (Nanodrähte, Nanokoni) durchgeführt. Leider ergab sich keine signifikante Absenkung der Zündspannung der Koronaentladung im Vergleich zu unstrukturierten Elektroden. Die Ursachen für das Ausbleiben der erwarteten Effekte konnten nicht abschließend geklärt werden. Im Gegensatz dazu konnte mit sehr einfach hergestellten Nanostrukturen eine wesentliche Absenkung der Zündspannung der Koronaentladung nachgewiesen werden. Wird eine Metallfolie mit einer Schere geschnitten, bilden sich an der Schnittkante Nanostrukturen, die zu einer sehr signifikanten Erhöhung der lokalen elektrischen Feldstärke führen. Koronaentladungen an derartigen nanostrukturierten Elektroden wurden eingehend charakterisiert. Eine Absenkung der Zündspannung um einen Faktor 4 bis 5 gegenüber per Mikrostrukturierung hergestellten Elektroden konnte nachgewiesen werden. Die Folienelektroden sind jedoch nicht robust und degradieren bei hohen Stromdichten, was sie für Anwendungen im Bereich der EHD-Energiewandlung eher ungeeignet erscheinen lässt. Aus diesem Grund wurden die im Bereich der Koronaentladungen gesammelten Erfahrungen im weiteren Projektverlauf in anderer Weise als ursprünglich vorgesehen eingesetzt. Im Folgenden wurden Koronaentladungen eingesetzt, um die Benetzbarkeit von Oberflächen lokal zu modifizieren. Es wurden Benetzbarkeitsmuster auf superhydrophobe Oberflächen aus Kohlenstoff-Nanoröhren „geschrieben“, mit denen es z. B. möglich ist, ansonsten abrollende Tropfen zu immobilisieren. Koronaentladungen wurden ebenfalls dazu benutzt, die Benetzbarkeit von PDMS-Oberflächen lokal zu modifizieren. Auf diese Weise kann der statische Kontaktwinkel von Wasser um etwa 50° reduziert werden. Die erreichbare räumliche Struktur der Benetzbarkeitsvariation, die Abhängigkeit von der Substrathärte und die Lebensdauer der Modifikation wurden eingehend charakterisiert. Im Zusammenhang mit den Untersuchungen zur Benetzbarkeitsmodifikation wurde eine Möglichkeit zur Herstellung wasserabweisender Oberflächen mittels Imprägnierung mit Silikonöl entdeckt. Das Verfahren ist sehr einfach, eignet sich zur Modifikation eines breiten Spektrums unterschiedlicher Oberflächen und kommt –im Gegensatz zu in der Literatur beschriebenen Verfahren zur Herstellung imprägnierter Oberflächen– ohne eine (nano)poröse Matrix auf der Oberfläche aus. Die statische und dynamische Benetzung derartiger Oberflächen durch Wassertropfen wurde detailliert charakterisiert. Aufgrund der sehr geringen Kontaktwinkelhysterese rollen Wassertropfen sehr leicht ab. Tropfen können mittels eines entlang der Oberfläche vorhandenen Temperaturgradienten aufgrund von Marangonispannungen transportiert werden. Wird der dünne Silikonölfilm auf der Oberfläche von eine Flüssigkeit überströmt, können Scherspannungen dazu führen, dass der Film von der Oberfläche verdrängt wird. Die Oberfläche besitzt allerdings „selbstheilende“ Eigenschaften, d. h. die „trockenen“ Stellen werden erneut durch Silikonöl benetzt, wenn keine Scherspannungen mehr wirken. Für nanostrukturierte Folienelektroden und mit Silikonöl imprägnierte Oberflächen existieren sicherlich eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten. In dem durch das Projekt vorgegebenen Zeitrahmen war es allerdings nicht möglich, konkrete Möglichkeiten zur Anwendung dieser beiden Prinzipien auszuarbeiten.
Publications
- Small onset voltages in negative corona discharges using the edges of gold and aluminum foils as nano-structured electrodes, Applied Physics Letters 103 (2013), 023114
A. Eifert, T. Baier and S. Hardt
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4813556) - Inscribing wettability gradients onto superhydrophobic carbon nanotube surfaces, Advanced Materials Interfaces 1 (2014), 1300049
D. J. Babu, S. N. Varanakkottu, A. Eifert, D. de Koning, G. Cherkashinin, S. Hardt and J. J. Schneider
(See online at https://doi.org/10.1002/admi.201300049) - Simple fabrication of robust water-repellent surfaces with low contact-angle hysteresis based on impregnation, Advanced Materials Interfaces 1 (2014), 1300138
A. Eifert, D. Paulssen, S. N. Varanakkottu, T. Baier and S. Hardt
(See online at https://doi.org/10.1002/admi.201300138) - Inscribing wettability gradients onto polymer substrates with different stiffness using corona discharge in point-toplane geometry, Applied Surface Science 330 (2015), 104–110
A. Eifert, J. Petit, T. Baier, E. Bonaccurso and S. Hardt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.12.169) - Untersuchungen zur Koronaentladung, Oberflächenmodifikation mittels Koronaentladung und zu Benetzungsphänomenen auf imprägnierten Oberflächen, Dissertation, TU Darmstadt, 2015
A. Eifert
