6 Zusammenfassung und Ausblick

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6 Zusammenfassung und Ausblick

Oberflächenstruktur, Chemie und Belastungsrichtung haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Mechanismen, welche die Verbundfestigkeit und die Alterungsbeständigkeit von Metallklebungen kontrollieren. Die einzelnen Einflussfaktoren wurden durch Variation von Oberflächenvorbehandlungen, Materialkombinationen und Prüfverfahren umfassend untersucht und diskutiert. Die gezogenen Schlussfolgerungen werden anhand der eingangs gestellten Fragen (s. Kap. 1.2) aufgegriffen und zusammengefasst. Die Aussagen beziehen sich hauptsächlich auf die untersuchten Materialkombinationen. Viele Schlussfolgerungen können jedoch auch auf andere Materialkombinationen übertragen werden. Die Aussagen sind an den entsprechenden Stellen allgemein gehalten.

1. Welche Adhäsions- und Alterungsmechanismen wirken bzw. sind wichtig in einer Metallklebung?

Grundsätzlich kann die Anbindung des Polymers an die metallische Substratoberflä-che über Substratoberflä-chemisSubstratoberflä-che Wechselwirkungen und mechanisSubstratoberflä-che Verklammerung erfolgen. Welcher Adhäsionsmechanismus überwiegend greift, ist von der Beschaffenheit der Oberfläche, der einzelnen Materialien sowie aufgrund des viskoelastischen, zeitabhän-gigen Charakters der Polymere auch von der Belastungsgeschwindigkeit abhängig. Auf unstrukturierten Oberflächen müssen starke und alterungsstabile chemische Wechselwirkungen existieren, um eine langfristige Anbindung gewährleisten zu kön-nen. Eine mechanische Verklammerung des Polymers kann dagegen auf strukturierten Oberflächen einen wichtigen Beitrag zur Verbundfestigkeit leisten.

Wenn die Einsatztemperatur für die Materialien nicht überschritten wird, findet eine Alterung an der Grenzfläche von Metallklebungen hauptsächlich aufgrund von Feuchtigkeit statt. Diese dringt in die Klebung durch Diffusion entlang der Grenzflä-che und durch das Polymer ein. Die Folge können Grenzflä-chemisGrenzflä-che und morphologisGrenzflä-che Änderungen auf der Substratoberfläche (z.B. Hydroxidbildung), Veränderungen in den Polymereigenschaften (z.B. Plastifizierung) und eine Schwächung der chemischen Wechselwirkungen zwischen den Materialien aufgrund von kompetitiven Prozessen (Anlagerung von Wassermolekülen) sein.

2. Welchen Einfluss hat eine Oberflächenstrukturierung auf die Langzeitstabilität? Ist die Größe und Morphologie der Strukturierung entscheidend?

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6. Zusammenfassung und Ausblick

Vorausgesetzt das verwendete Polymer benetzt und infiltriert die Strukturen (was attraktive chemische Wechselwirkungen und ausreichend große Kapillarkräfte voraus-setzt), führen im Allgemeinen ausgeprägtere Strukturen auf Nanoebene zu alterungs-beständigeren Verbundfestigkeiten als größere Makrostrukturen. Sind hauptsächlich chemische Wechselwirkungen für die Anbindung des Polymers an das Substrat verantwortlich, beruht die Wirksamkeit der Strukturierung auf der Oberflächenver-größerung und damit Erhöhung der Anzahl an potentiellen Bindungsstellen. Eine nanostrukturierte Oberfläche ist jedoch noch kein Garant für eine langfristige An-bindung. Basiert der Adhäsionsmechanismus auf der mechanischen Verklammerung, sind die Nanostrukturausprägung und die Belastungsrichtung entscheidend. Eine offenporige, stängelige Struktur bietet insbesondere bei Zugbelastung wenig Veran-kerungsmöglichkeiten, während stark verzweigte Nanostrukturen für eine hohe und langzeitstabile mechanische Verklammerung essentiell sind.

Eine Makrostruktur alleine ist meist nicht ausreichend, um alterungsbeständige Verbindungen zu erzielen. Die Rolle einer Makrostruktur in Kombination mit einer Nanostruktur ist dagegen noch nicht abschließend geklärt. Eine vergrößerte Kerbwir-kung durch eine zusätzliche Makrostruktur steht einer weiteren Oberflächenvergröße-rung und der VerändeOberflächenvergröße-rung der lokalen Lastrichtung hin zu potentiell günstigeren Belastungen an der Grenzfläche gegenüber. Darüber hinaus können Effekte wie die Grenzflächenkristallisation [Sch17] oder die Ausbildung eines "Nanofaserverbunds" [Pac05] einen Einfluss auf Alterungsbeständigkeit haben. Weiterführende Versuche mit vergleichbaren Nanostrukturen bei An- und Abwesenheit einer Makrostruktur sowie simulierte, modellhafte Parameterstudien mit unterschiedlichen Strukturen, Anbindungsstärken und Belastungsrichtungen können den Einfluss der Strukturen auf die Langzeitstabilität weiter aufschlüsseln.

3. Welchen Einfluss haben die Materialien und die chemischen Wechselwirkungen zwi-schen ihnen auf die Langzeitstabilität der Klebung?

Die einsatzgerechte Auswahl der Materialien ist Voraussetzung für eine langzeitstabile Klebung. Die Wahl des Metalls bestimmt die möglichen Oberflächenvorbehandlungen, die Ausprägung von Strukturen sowie die chemische Zusammensetzung und Stabilität der Oberflächenschicht. Das Polymer begrenzt das Anwendungsgebiet hinsichtlich thermischer, medialer und mechanischer Belastungen und sollte im gewählten Einsatz-bereich weitestgehend seine strukturellen und mechanischen Eigenschaften behalten. Die Interaktion des Polymers mit der Substratoberfläche und damit die Fähigkeit, eine stabile Anbindung ausbilden zu können, wird durch chemische Wechselwirkungen entscheidend beeinflusst. Ohne Benetzung und Infiltration der Substratoberfläche kommt kein Verbund zustande. Ist eine wirksame Infiltration gewährleistet, ist der Einfluss der chemischen Wechselwirkungen auf die Langzeitstabilität der meisten

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Metallklebungen aufgrund der Schwächung durch Wasser geringer zu bewerten als der Einfluss der Oberflächenstruktur und mechanischen Verklammerung.

Die relativen Bindungsstärken zwischen Polymer und Substratoberfläche in Abhän-gigkeit der Materialkombination sowie das Verhalten der Anbindung bei kompetitiven Prozessen, die durch das Eindringen z.B. von Wasser hervorgerufen werden, wird in der vorliegenden Arbeit anhand der Oberflächenausprägung und der mechanischen Kennwerte abgeschätzt. Die Anbindungsmechanismen sowie das Alterungsverhalten bei Anwesenheit von Wassermolekülen könnten in Zukunft mithilfe von Adsorptionsex-perimenten (XPS- und TPD-Analysen) untersucht werden (siehe z.B. Untersuchungen in [SH11]).

Was macht eine Metallklebung langzeitstabil?

Warum führt eine Laservorbehandlung zu langzeitstabilen Klebungen?

Grundvoraussetzungen für langzeitstabile Klebungen sind (a) die Stabilität der einzelnen Materialien unter Umwelteinflüssen, (b) die Fähigkeit des Metalls eine stabile Oberflä-chenschicht auszubilden sowie (c) die Fähigkeit des Polymers die Substratoberfläche zu benetzen und zu infiltrieren. Sind diese Voraussetzungen erfüllt, ist im Falle der betrach-teten Titanklebungen für die Langzeitstabilität eine ausgeprägte, offenporige, verzweigte Nanostruktur essentiell, die durch eine Laseroberflächenvorbehandlung generiert werden kann. Die Alterungsbeständigkeit beruht insbesondere auf der nanomechanischen Verklam-merung, während kurzzeitige feste Anbindungen auch über chemische Wechselwirkungen realisiert werden können. Für die untersuchten Klebungen können damit den beiden großen Adhäsionsmechanismen "Chemie" und "mechanische Verklammerung" klare Rollen zuge-teilt werden: Die mechanische Verklammerung liefert den Hauptgrund für langzeitstabile Klebungen. Wegen der zeitabhängigen Degradation chemischer Bindungen durch hydro-thermische Auslagerung können chemische Wechselwirkungen nur im initialen Zustand einen größeren Beitrag zur Verbundfestigkeit liefern.

Erste Untersuchungen im DLR-Institut für Werkstoff-Forschung an Metallklebungen mit laserbehandeltem Aluminium1 [Laa18] oder rostfreiem Stahl [Sch18] unterstreichen

die Wirksamkeit der laserinduzierten Nanostruktur für langzeitstabile Klebungen und erweitern damit die Gültigkeit der Aussage auf andere Metalle. Die Ausnahme bilden Klebungen mit Polymeren, die sehr stabile und alterungsbeständige chemische Bindungen zur Substratoberfläche aufbauen können (z.B. der in der Automobilindustrie eingesetzte Strukturklebstoff BETAMATE). Aluminium/BETAMATE-Verbunde erzielten mit einer

1von der Autorin betreute Masterarbeit

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6. Zusammenfassung und Ausblick

unstrukturierten Substratoberfläche dieselben Restfestigkeiten nach hydrothermischer Auslagerung wie mit einer gelaserten nanostrukturierten Oberfläche [Irf18].

Um die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse auf andere Metallklebungen zu erweitern und zu allgemeingültigen Aussagen zu kommen, müssten weiterführende Untersuchungen an unterschiedlichen Metall/Polymer-Verbunden mit charakteristischen Oberflächenbe-schaffenheiten und bei längeren Auslagerungszeiten durchgeführt werden. Darüber hinaus können weitere Alterungsversuche mit markiertem Wasser durchgeführt werden, um die Diffusions- und die Schädigungsfront eindeutig detektieren und sie mit mechanischen Kennwerten korrelieren zu können. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz kann hier als Grundlage dienen. Unerlässlich ist zukünftig die größere Fokussierung auf numeri-sche Methoden bei der Aufschlüsselung von Anbindungs- und Schädigungsmechanismen. Die Multiskalensimulationen, wie von Hundley et al. [Hun+11], [Hun+12] beschrieben, können ein nützliches Werkzeug darstellen, um das tiefere Verständnis der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Langzeitstabilität von Klebungen systematisch zu erweitern und Voraussagen für neue Materialkombinationen zu treffen.

Abbildung

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