Selektive Oberflächenbearbeitung von Nanokompositen mit einem ultraschnellen Laser

Eine kürzlich durchgeführte Studie befasste sich mit der ultraschnellen Laserbearbeitung von Keramik aus einem Zirkonium-/Aluminiumoxid-Nanokomposit, dem derzeitigen Standardmaterial für keramische Lagerkomponenten in der Orthopädie aufgrund seiner gleichzeitig hohen Härte und Verschleißfestigkeit. Unter experimentellen Bedingungen wurde die Zirkoniumdioxidphase selektiv durch Ablation entfernt, während die Aluminiumoxidphase intakt blieb. Dies eröffnet neue Perspektiven für selektive Oberflächenbehandlungen.

Das Forschungsteam, dem auch Experten von Sirris angehörten, untersuchte, wie Zirkoniumdioxid/Aluminiumoxid-Nanokomposit-Keramiken unter ultraschneller Laserbestrahlung bei einer Fluenz nahe der Ablationsschwelle reagieren, bei der die Inhomogenität des Materials nicht vernachlässigbar ist. Zusätzliche Aufmerksamkeit wurde dem Einfluss der angewandten Laserfluenz auf das Verhalten der verschiedenen Phasen während des Abtrags gewidmet. 

Ultraschnelle Laser und Nanokomposite

Mit einer Pulsdauer, die kürzer ist als die Elektron-Photonen-Relaxationszeit, werden ultraschnelle Laser in großem Umfang für die Materialbearbeitung mit hoher Präzision und minimaler thermischer Beeinflussung eingesetzt. In früheren experimentellen Studien waren die angewandten Laserfluenzen für einen effizienten Materialabtrag viel höher als die Laserabtragsschwelle der Materialien. Da die Korngrößen sehr viel kleiner als die Laserspitze waren, war der Einfluss der inhärenten mikrostrukturellen Inhomogenität der Nanokompositmaterialien nicht offensichtlich. Liegt die angewandte Laserfluenz jedoch in der Nähe der Abtragsschwelle, gibt es nur einen kleinen Bereich in der Mitte der Laserspitze, in dem die lokale Laserfluenz größer als die Abtragsschwelle ist. Unter diesen Bedingungen ist davon auszugehen, dass die Inhomogenität des Nanokompositmaterials einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse der Laserbearbeitung hat und daher nicht übersehen werden sollte.

Laserablation

Anstatt das Substrat als homogenes Material zu betrachten, wie es bei der Lasermikrobearbeitung üblich ist, wurde in der aktuellen Studie das Abtragsverhalten der verschiedenen Materialphasen um die Schwelle des Laserabtrags bei ultraschneller Laserbestrahlung untersucht. Bei der (Laser-)Ablation wird das Material lokal erhitzt, so dass bei Überschreiten eines kritischen Wertes bei einer bestimmten Temperatur das Material verdampft und damit abgetragen wird. Da das Material durch die Ablation physikalisch abgetragen wird, wird auch die in der Masse enthaltene Wärmeenergie entfernt, und die durchschnittliche Temperatur des verbleibenden Materials sinkt.

Das Experiment

Die Keramiken aus einphasigem Zirkonium und Aluminium und Zikonium/Aluminiumoxid-Nanokomposit wurden mit handelsüblichen Pulvern durch druckloses Sintern hergestellt. Die gesinterte Keramik wurde zunächst mit Diamantpaste verschiedener Korngrößen und anschließend mit einer SiO2-Polierlösung poliert, um eine glatte Oberfläche zu erhalten. Die Rauheit über einen größeren Oberflächenbereich lag sowohl beim Zirkoniumdioxid als auch beim Verbundwerkstoff unter 10 nm. Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Aluminiumoxids wurden durch herausgezogene Körner während des Polierens verursacht, die die Oberflächenrauheit über einen großen Bereich deutlich erhöhten, während die Oberflächenrauheit über einen kleinen Bereich immer noch unter 10 nm blieb, wenn die Defekte nicht berücksichtigt wurden. Die Keramik wurde mit einem Femtosekundenlaser mit Gauß-Strahlprofil, 250 fs als volle Breite bei halber maximaler Pulsbreite und einer maximalen Pulsenergie von 20 μJ bearbeitet. Die Wellenlänge des Lasers betrug 1 030 nm und die Brennweite der optischen Linse 100 mm.

Fundstücke

Unter experimentellen Bedingungen konnte die Zirkoniumdioxidphase selektiv durch Ablation entfernt werden, während die Aluminiumoxidphase intakt blieb. Die Laserabtragsschwelle ist ein kritischer Parameter für den Lasermikrobearbeitungsprozess. Um diese Schwelle herum treten verschiedene Phänomene auf, wie z. B. der Materialabtrag und die Bildung von laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS). Um das Verhalten des Materials im Bereich der Abtragsschwelle zu untersuchen, wurde ein Scanning-Experiment durchgeführt. Bei einer angewandten Laserfluenz von 2,02 J/cm² (d. h. etwas mehr als die Ablationsschwelle von Zirkoniumdioxid unter 16-Puls-Laserbestrahlung, aber weniger als die von Aluminiumoxid) wurden kleine laserinduzierte Defekte auf der Zirkoniumdioxidphase festgestellt, insbesondere an den Korngrenzen zwischen den Zirkoniumdioxid- und Aluminiumoxidphasen. Bei einer Laserfluenz von 2,24 J/cm², die weit über der Ablationsschwelle von Zirkoniumoxid bei 16-Puls-Laserbestrahlung liegt, aber immer noch geringer ist als die von Aluminiumoxid, wurden viel größere laserinduzierte Defekte festgestellt, hauptsächlich in der Zirkoniumphase.

Ablationsschwelle

Forschungsergebnissen zufolge ist die Ablationsschwelle dielektrischer Materialien mit der Bandlücke verknüpft, wobei der Exponent zwischen 2,5 und 3 liegt. Die Bandlücke von Zirkoniumdioxid beträgt etwa 5,8 eV, die von Aluminiumoxid etwa 8,8 eV. Aufgrund dieser größeren Bandlücke dürfte Aluminiumoxid im Vergleich zu Zirkoniumoxid widerstandsfähiger gegen Laserablation sein. Dies bedeutet, dass unter bestimmten Laserbearbeitungsparametern die Zirkoniumoxid-Phase durch Ablation bearbeitet und entfernt werden kann, während die Aluminiumoxid-Phase intakt bleibt, was in den Experimenten im Rahmen der Studie bestätigt werden konnte: Aufgrund der nichtlinearen Absorptionsmechanismen unter ultraschneller Laserbestrahlung könnte die Zirkoniumoxid-Phase mit einer Bandlücke von 5,8 eV mehr Laserenergie absorbieren als die Aluminiumoxid-Phase mit einer größeren Bandlücke von 8,8 eV. 

Die vernachlässigbare Wärmediffusionslänge sorgt dafür, dass die absorbierte Laserenergie in den einzelnen Phasen gebunden bleibt, was zu einem selektiven Abtrag von Zirkoniumdioxid unter dem gegebenen Lasereinfluss führt.

Potenzial für Oberflächenbehandlung

Auf der Grundlage dieser Beobachtung kann eine Oberflächenbehandlungsmethode mittels ultraschneller selektiver Laserablation vorgeschlagen werden, um die Oberflächenzusammensetzung von Nanokompositmaterialien zu verändern, die aus Phasen mit unterschiedlichen Bandlücken bestehen. Dadurch wird es möglich, bestimmte Phasen selektiv von der Oberfläche der Materialien zu entfernen. Im Gegensatz zu anderen Oberflächenbehandlungsmethoden wie Sandstrahlen, nichtselektives chemisches Ätzen, Laseroberflächentexturierung und herkömmliche mechanische Bearbeitung, bei denen die Veränderung der Oberflächentopologie das Hauptziel ist, zielt die neue ultraschnelle Lasermethode darauf ab, die Oberflächenzusammensetzung eines aus verschiedenen Phasen zusammengesetzten Nanoverbundwerkstoffs selektiv zu verändern. Durch das Entfernen bestimmter Phasen wird die Oberflächentopologie unweigerlich verändert, was je nach gewünschter Funktionalität einen Mehrwert oder einen gegenteiligen Effekt auf das Endprodukt haben kann.

Anwendungen

Mögliche Anwendungen sind dort zu finden, wo die Oberflächenzusammensetzung sich von der des Grundmaterials unterscheiden muss, um bestimmte Funktionen zu erfüllen. Der Vorteil dieser Methode ist ein zweifacher: Einerseits bietet sie in Analogie zum selektiven chemischen Ätzen eine neue physikalische Möglichkeit, die Oberflächenzusammensetzung eines Verbundwerkstoffs zu verändern, ohne jedoch der Umgebung neue chemische Elemente hinzuzufügen. Zum anderen zeichnet sich die Methode durch die Entfernung einzelner Körner aus, was zu kleinen Hohlräumen auf der behandelten Oberfläche führt. Die Größe der Hohlräume wird durch die Korngröße bestimmt, die kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls sein kann. Daher kann die Methode auch dazu verwendet werden, die Oberflächentopologie eines Verbundwerkstoffs mit einer viel geringeren Strukturgröße zu verändern als bei der klassischen Laseroberflächentexturierung, bei der die Strukturgröße in der Regel durch die Größe des Laserspots begrenzt ist. Dies kann nützlich sein, um das Verschleißverhalten der behandelten Oberflächen zu verbessern.

In Zusammenarbeit mit Sirris