Grundlegende Untersuchungen zur Ursache von Tropfenkondensation an durch Ionenimplantation modifizierten Metalloberflächen

Die Ursache der sich durch einen im Vergleich zur Filmkondensation deutlich intensivierten Wärmeübergang auszeichnenden Tropfenkondensation von Wasserdampf an ionenimplantierten Oberflächen wurde in der Literatur überwiegend auf eine Reduzierung der Oberflächenenergie des Metalls zurückgeführt. In dieser Arbeit konnte jedoch auf Basis von Kondensationsexperimenten und Oberflächenanalysen gezeigt werden, dass chemisch inhomogene und sich durch topografische Nanostrukturen auszeichnende Oberflächen mit der Einstellung von Tropfenkondensation im Zusammenhang stehen. Die Entstehung dieser die Kondensationsform beeinflussenden Oberflächencharakteristika ist auf partikelartige Ausscheidungen zurückzuführen, die an ionenimplantierten Oberflächen gebildet werden. Ähnliche Oberflächeneigenschaften entwickeln sich an unbehandeltem, nichtrostendem Edelstahl spontan während des Kondensationsprozesses durch Oxidations- und Abtragungseffekte, was ebenfalls zur Einstellung von Tropfenkondensation führt. Im Rahmen der Untersuchungen wurde erstmals über mehrere Monate hinweg stabile Tropfenkondensation mittels Ionenimplantation an der Aluminiumlegierung Al 6951 und Titan erzielt. Eine mögliche Erklärung für die beobachteten Kondensationsphänomene an chemisch inhomogenen, strukturierten Oberflächen liefert eine neu entwickelte Modellvorstellung zum stattfindenden Kondensationsmechanismus. Diese beruht auf einer bevorzugten Kondensation an topografisch erhöhten Keimstellen, wobei die sehr schnell ablaufende Vereinigung von benachbarten, anwachsenden Kondensattröpfchen einen Übergangszustand mit sich in Senken befindenden Dampfeinschlüssen bewirkt. Hieraus resultiert gemäß dem Benetzungsmodell von Johnson und Dettre eine deutliche Erhöhung des makroskopischen Kontaktwinkels, womit die Aufrechterhaltung von Tropfenkondensation zu erklären ist. Wärmetechnische Untersuchungen bei Tropfenkondensation an verchromtem Kupfer ergaben eine um bis zu 7,6-fache Erhöhung des kondensatseitigen Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zur Filmkondensation. Die Ionenimplantation und ihre Parameter blieben im untersuchten Bereich an verchromtem Kupfer, nichtrostendem Edelstahl und Titan ohne signifikanten Einfluss auf den Wärmeübergang