Wed Feb 20 2019

02 20

Miniscule structuren, grote gevolgen

15/04/2018

Door Ad Spijkers

Materiaaldeskundigen van de Friedrich-Schiller-Universität Jena hebben door laserstructurering oppervlakken gecreëerd van minuscule gekromde koolstofvezels.


     

Het oppervlak van materialen kan een grote invloed hebben op hun functie. Verandert men de uitwendige aard, dan verbreedt men de bandbreedte van de toepassingsmogelijkheden. Daarom onderzoeken materiaalwetenschappers van de Universität Jena hoe ze het oppervlak van verschillende materialen met lasertechniek vorm kunnen geven. Ze concentreren zich daarbij vooral op door lasers geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren (Laser-Induced Periodic Surface Structures ofwel LIPPS). Met deze methode kunnen bijzonder fijne structuren worden gecreëerd.

Bestraalt men een oppervlak met een femtosecondelaser – een laser met zeer korte lichtpulsen – dan worden karakteristieke structuren gevormd op het punt waarop de laserstraal het oppervlak treft. Interferentie-effecten in dit focuspunt roepen de LIPPS op. Deze structuren zouden veel kleiner zijn dan die, die men door normale laserstructurering zou bereiken omdat een laserstraal zich niet willekeurig klein laat focussen.

De grootte van de structuren hangt onder andere af van de laserintensiteit en de gebruikte lasergolflengte. Verandert men de parameters van de laserbestraling, dan kunnen de structuren nagenoeg op maat gesneden worden aangebracht.

Op gekromde oppervlakken

In het algemeen werkt de methode op de meest uiteenlopende materiaalklassen, maar tot nu toe konden ze alleen op vlakke oppervlakken worden toegepast. Het is de onderzoekers in Jena gelukt ook gekromde oppervlakken van de door een laser geïnduceerde periodieke structuur te voorzien. Ze hebben LIPPS op de oppervlakken van circa 10 µm dunne koolstofvezels opgebracht.

De doorsnede is daarbij nauwelijks groter dan de aangebrachte structuren. Ook konden ze verschillende structuurtypen over elkaar heen leggen en hierdoor het oppervlak hiërarchisch vormgeven.Deze resultaten nieuwe mogelijkheden voor de praktijk. Zo worden bijvoorbeeld bij de productie van composietmaterialen koolstofvezels in andere materialen ingebed. Om de sterkte van de composieten te verbeteren, worden ze bijvoorbeeld met chemicaliën behandeld. Door LIPPS kunnen nu oppervlaktetopografieën doelgericht worden veranderd, zodat een verankering tussen polymeer en ingebedde vezels ontstaat.

Materialen met lange levensduur

Bovendien werken de structuren als een optisch rooster, waardoor het reflectie- en absorbtiegedrag van licht op het oppervlak doelgericht kan worden veranderd. Hertzelfde geldt voor de afbuiging van licht, waardoor via zogeheten structuurkleuren oppervlakken selectie een bepaalde kleur kunnen krijgen. Hierdoor worden door een laser geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren in toenemende mate ook geschikt voor optische toepassingen.

LIPPS beïnvloeden ook de houdbaarheid van materialen positief. Door de verandering van de oppervlaktetopografie kan men de wrijvingscoëfficiënten verminderen en daardoor slijtage tegenaan. Er kunnen bijvoorbeeld implantaten met lange gebruiksduur worden ontwikkeld. Bovendien kunnen de bevochtigingseigenschappen van materialen op deze manieren worden veranderd. Zo kunnen ze bijvoorbeeld waterafstotend worden gemaakt.