Studien zur Nanostrukturierung von Aluminium-Oberflächen mittels elektrochemischer Methoden

Abstract

Seit der Entdeckung des Selbstorganisationsprozesses, durch den poröses Aluminiumoxid (Anodic Alumina) mit einer perfekt hexagonalen Anordnung der Poren erhalten werden kann (Masuda et al. im Jahre 1995), wurden zahlreiche Arbeiten zu dieser Thematik veröffentlicht. Diese beschäftigen sich mit dem zugrundeliegenden Mechanismus, mit dem Porendesign und/oder potentiellen Anwendungen.Aus elektrochemischer Sicht derselbe Prozess (wenn auch ohne Selbstorganisation) wird in Form des Eloxal-Verfahrens seit Jahrzehnten großtechnisch angewendet. Hier findet jedoch aufgrund der vermeintlich fehlenden praktischen Relevanz kein gezieltes Porendesign statt.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher vornehmlich mit der gezielten Einstellung der strukturellen Parameter von Anodic Alumina, das durch die Anodische Oxidation von Aluminium unter industriellen Bedingungen erhalten wird. Auch weitere elektrochemische Methoden, die nicht zwangsläufig zu einer porösen Oberfläche, sondern nur zu einer anderweitig gearteten mikrostrukturierten Oberfläche führen, wurden untersucht.Ziel des Poren- bzw. Oberflächendesigns war die Erzeugung von neuartigen mechanischen, haptischen oder optischen Effekten zur Veredelung von Gebrauchsgütern aus Aluminium.Im Einzelnen beinhaltet diese Dissertation die folgenden Thematiken: Nach einigen grundlegenden Untersuchungen zur Anodisation von Reinst-Aluminium wurden umfangreiche Versuchsreihen zur Anodischen Oxidation von Aluminium-Legierungen durchgeführt. Es handelte sich hierbei um Legierungen, die bei der industriellen Anwendung des Eloxal-Verfahrens üblicherweise Verwendung finden. Als Elektrolyte kamen hierbei wässrige Lösungen von Schwefel-, Oxal- und Phosphorsäure zum Einsatz. In diesen Studien wurde systematisch erforscht, wie durch die Wahl der Syntheseparameter (Art des Elektrolyten, dessen Konzentration, dessen Temperatur, Anodisationsspannung und Dauer der Anodisation) die strukturellen Parameter von Anodic Alumina (Porenabstand, Porendurchmesser und Porenlänge) gezielt und unabhängig voneinander eingestellt werden können.Weiterhin wurde quantitativ untersucht, welchen Einfluss ein potentialfreier Verbleib der Probe im Elektrolyten nach der Anodisation auf den Porendurchmesser hat. Auf diese Erkenntnisse aufbauend wurde ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Anodic Alumina entwickelt, dessen Porensystem aus stufenweise verjüngten Poren besteht.Verschiedene weitere Verfahren zur Mikrostrukturierung von Aluminium-Oberflächen wurden untersucht, die nicht zwangsläufig ein Porensystem generieren: Salzsäure als Elektrolyt (Wechselstrom; optional gefolgt von einer konventionellen Anodisation), Perchlorsäure als Elektrolyt (modifiziertes Elektropolitur-Verfahren; optional gefolgt von einer konventionellen Anodisation), Natriumcarbonat-Lösung als basischer Elektrolyt, Hydrogensulfat-Salzschmelze als Elektrolyt und die rein chemische Chromatierung. Über sämtliche Verfahren konnte eine jeweils charakteristische, teilweise auch hierarchische Mikrostrukturierung der Oberfläche erhalten werden.Abschließend wurde ein sehr einfaches Verfahren entwickelt, Aluminium-Oberflächen mit dem Lotus-Effekt zu versehen.