Werkstoffoberfläche

Die Werkstoffoberfläche bezeichnet die Grenzfläche zwischen einem Festkörper und seiner Umgebung. Sie umfasst die obersten wenigen Atomlagen und deren chemische Zusammensetzung, Struktur und Zustand. Typische Größen, die die Oberfläche charakterisieren, sind die Oberflächenenergie, die mikroskopische Rauheit, Topografie und chemische Aktivität. Diese Eigenschaften unterscheiden die Oberfläche deutlich vom Inneren des Materials.

In der Praxis kann die Oberfläche durch natürliche Oxide, adsorbierte Moleküle, Rekonstruktionen der Atomordnung oder Verunreinigungen beeinflusst sein. Die Oberfläche ist oft energetisch höher gelegt als das Materialinnere, was Reaktionen an der Grenze begünstigen kann. Rauheit und Topografie bestimmen Tribologie; chemische Modifikationen wie Oxide, Beschichtungen und Grenzlagen beeinflussen Korrosionsverhalten, Haftung und Reibung. Oberflächenzustand ist auch für Wärme- und Massenaustausch sowie für katalytische oder sensorische Funktionen entscheidend.

Oberflächen werden durch verschiedene Verfahren beeinflusst oder erzeugt: spanende oder schleifende Bearbeitung, chemische oder mechanische Behandlung, Wärmebehandlung, Beschichtungen und Oberflächenmodifikation wie Ionenimplantation, Dünnfilmbeschichtungen. Der Zustand der Oberfläche kann durch Umweltbedingungen wie Feuchtigkeit, Temperatur oder Chemikalien verschlechtert oder gezielt verbessert werden.

Zur Charakterisierung werden Messungen der Rauheit (Profilometrie, AFM), Struktur (SEM, TEM) sowie chemische Zusammensetzung (XPS, AES) eingesetzt, ebenso Oberflächenkennwerte wie der Kontaktwinkel. In vielen Anwendungen sind Oberflächen maßgeblich für Haftung, Korrosion, Verschleiß, Wärmeübertragung, Katalyse oder Mikroelektronik.