Direkte und indirekte Nanostrukturierung zur Funktionalisierung metallischer Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Durst; Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517909685

Hierarchische Oberflächenstrukturen können zur Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften wie z.B. der Benetzbarkeit und auch des Reibungs- und Verschleißverhalten von metallischen Werkstoffen genutzt werden. Funktionale Oberflächenstrukturen mit superhydrophoben Verhalten, wie sie in der Lebensmittelindustrie von Bedeutung sein können, weisen häufig Strukturgrößen vom Nanometerbereich bis hin zu größeren Längenskalen im Mikrometerbereich auf. Insbesondere für die Funktionalisierung von korrosionsbeständigen Stählen (Austenite) für technische Anwendungen ist eine zielgenaue Einbringung von hierarchischen Oberflächenstrukturen auf größeren Flächen eine große Herausforderung und soll in diesem Vorhaben adressiert werden. Dazu soll in diesem Projekt ein kombinierter Ansatz aus einer Laserinterferenzmethode und Nanoimprinting zur hierarchischen Strukturierung von metallischen Werkstoffen entwickelt werden. Dabei wird die Laserinterferenzmethode zur direkten Strukturierung der untersuchten Werkstoffe sowie von Werkzeugen für das Nanoimprinting eingesetzt, welche die so erzeugte Oberflächenstruktur des Werkzeugs durch einen plastischen Prägeprozess auf unterschiedliche Modellwerkstoffe überträgt. Die Fließvorgänge beim Prägeprozess und die erzielbaren Oberflächenstrukturgrößen hängen dabei von der Werkzeuggeometrie, der Prozessführung sowie von der Mikrostruktur (Korngröße, Subkorngröße) und dem Verfestigungsverhalten der Werkstoffe ab. Die besondere Herausforderung hierbei ist die Weiterentwicklung des ultrakurz gepulsten DLIP (USP-DLIP) zur Erzeugung von hierarchischen Mikro- und insbesondere Nanostrukturen sowohl auf den untersuchten Werkstoffen als auch auf den für das Nanoimprinting verwendeten WC-Co Hartmetallwerkzeugen. Das Fließverhalten der Werkstoffe in die Werkzeugstruktur und die sich durch den Prägeprozess ergebenden Gestaltungsmöglichkeiten der Oberflächenstrukturen sind dabei ein weiterer Fokus der Untersuchungen. Dazu soll insbesondere der Einfluss des Verfestigungsverhaltens, sowie der Korn- und Subkorngröße auf die Fließvorgänge beim Nanoimprinting betrachtet werden. Die direkte und indirekte Strukturierung wird hierzu an austenitischen Stählen und Cu-basierten Modellwerkstoffen untersucht und weiterhin die Benetzbarkeit der erzeugten Oberflächenstrukturen als eine wesentliche funktionelle Eigenschaft in Betracht gezogen. Von besonderem Interesse sind dabei die chemischen und mikrostrukturellen Einflüsse der beiden Verfahren auf das Benetzungsverhalten. Die Zielsetzung des Projektes ist somit, die Vorgänge bei der direkten (USP-DLIP) und indirekten (Nanoimprinting) Strukturierung von metallischen Oberflächen aufzuklären und die Gestaltungsmöglichkeiten der Oberflächenstrukturen für unterschiedliche Anwendungsfelder am Beispiel der Benetzbarkeit zu demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen