Nanostrukturierte Beschichtungen für eine bessere Leistung
Beschichtungen können die mechanischen, optischen und selbst die aerodynamischen Eigenschaften von Komponenten aus einer Vielzahl von Industrien verbessern. Veränderungen der Oberflächenstruktur können die Leistung jedoch deutlich beeinträchtigen und so die Betriebs- und Wartungskosten erhöhen. So können bspw. Oberflächenverschmutzung und -erosion den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen und Wasserfahrzeugen steigern und die Ausgangsleistung von Windenergieanlagen mindern. Die Charakterisierung der Eigenschaften in Größenordnungen von unter einem Mikrometer erfordert zeitaufwendige Untersuchungen mit hochentwickelten Laborgeräten. Aus diesem Grund riefen Wissenschaftler das EU-finanzierte Projekt NATURAL (Standardised metrology of nano-structured coatings with low surface energy) ins Leben, um eine schnelle, zerstörungsfreie Methodik zu entwickeln, mit der die Oberflächenstruktur auf Nanoebene mit der funktionellen Leistung im Betrieb in Einklang gebracht werden kann. Die Technologie stellt die erste Generation metrologischer Standards dar, die einen Zusammenhang zwischen Struktur und Leistung schafft und so eine Bewertung der Tauglichkeit für einen bestimmten Zweck ermöglicht. Die Projektpartner entwickelten kurzwellige, hochauflösende Laserabtastverfahren zur schnellen Oberflächencharakterisierung grobkörniger, nanoskaliger Strukturen mit großer Fläche. Messungen im Nanomaßstab wurden mit der Tribologie und Fluidströmungsanalyse auf Makroebene korreliert. Dies ermöglichte es dem Konsortium, Empfehlungen für neue Standards ausarbeiten zu können, welche die Oberflächen-Nanomorphologie mit der funktionellen Leistung verbinden, und letztendlich Prognosen bezüglich der Lebensdauer zulassen. Wissenschaftler beschrieben zwei unterschiedliche Beschichtungen, bei denen es sich jeweils zur Schaffung einer Grundlage um zweiteilige, auf Glasfasersubstrate aufgetragene Polyurethane handelte. Eine Beschichtung war eine kommerzielle, vollständig formulierte Benchmark-Beschichtung, die gemeinhin bei Herstellern von Windturbinenschaufeln Anwendung findet. Bei der Beschichtung wird ein hochleistungsfähiges Harzsystem angewandt, das einen Industriestandard darstellt. Außerdem weist diese verschiedene Füllstoffe auf. Das zweite (Modell-)System wies keine Füllstoffe auf, um die Auswirkungen von Nanopartikeln schneller beleuchten zu können. Es wurde eine Reihe von Nanopartikeln synthetisiert, funktionalisiert und in die Beschichtungen integriert. Das Team vollendete die Konstruktion des Prototypen-Messsystems zur Nanocharakterisierung für eine zerstörungsfreie Evaluation im Rahmen von Praxistests. Das vertiefte Wissen über die Auswirkungen von Nanostrukturen auf die Leistung und das zerstörungsfreie Metrologiesystem von NATURAL werden zu neuen Standards und verbesserten Beschichtungen führen und einen Aufschwung für zahlreiche Wirtschaftssektoren bedeuten. Dies ist auf die im Rahmen des Projekts entwickelten Beschichtungsverfahren und portablen Instrumente zurückzuführen, die eine leichtere Verwendung möglich machen. Zu weiteren Vorteilen zählen unter anderem reduzierte Reparaturkosten für Komponenten und verbesserte Beschichtungsverfahren, die zu einer wesentlichen Steigerung der Beschichtungsqualität führen. Hierdurch werden niedrigere Energiekosten für Verbraucher ermöglicht. Eine gesteigerte Effizienz bedeutet zudem weniger Verschmutzung, da eine geringere Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energien besteht.
Schlüsselbegriffe
Nanostrukturierte Beschichtungen, NATURAL, Metrologie, Laserabtastung, Nanopartikel
