DE102008055502B4

DE102008055502B4 - Benetzungsbeständige Materialien und damit hergestellte Gegenstände

Info

Publication number: DE102008055502B4
Application number: DE102008055502.9A
Authority: DE
Inventors: Molly Maureen Gentleman; James Anthony Ruud; Mohan Manoharan
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2025-07-31
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: US7892660B2; JP2009149983A; FR2925064A1; DE102008055502A1; US20090155566A1; US20110086200A1; RU2502826C2; US8173279B2; FR2925064B1; RU2008149984A; JP5686950B2

Abstract

Gegenstand (200), der aufweist:
einen Überzug (202), der ein Material aufweist, das ein primäres Oxid und ein sekundäres Oxid umfasst, wobei das sekundäre Oxid sich von dem primären Oxid unterscheidet und eine geringere intrinsische Oberflächenenergie als das primäre Oxid aufweist, wobei
(i) das primäre Oxid mindestens ein Kation aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cer, Praseodym, Terbium und Hafnium besteht, und
(ii) das sekundäre Oxid mindestens ein Kation aufweist, das aus der Gruppe der Seltenerdelemente ausgewählt ist,
wobei das Material des gesamten Überzugs (202) an dem Gegenstand (200) eine Gesamtporosität von weniger als 5 Vol.-% aufweist.

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung bezieht sich auf benetzungsbeständige Materialien. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Gegenstände, die Überzüge aus benetzungsbeständigen Materialien einschließen.
Die „Flüssigkeits-Benetzbarkeit“ oder „Benetzbarkeit“ einer festen Oberfläche wird durch das Beobachten der Art der Wechselwirkung bestimmt, die zwischen der Oberfläche und einem Tropfen der gegebenen Flüssigkeit auftritt, der auf der Oberfläche angeordnet wird. Ein hoher Benetzungsgrad führt zu einem relativ geringen Kontaktwinkel zwischen Festkörper und Flüssigkeit und zu einer großen Fläche des Kontaktes zwischen Flüssigkeit und Festkörper; dieser Zustand ist in Anwendungen erwünscht, bei denen ein beträchtliches Ausmaß der Wechselwirkung zwischen den beiden Oberflächen nützlich ist, wie, z.B., adhäsiven und Überzugs-Anwendungen. So haben, z.B., sogenannte „hydrophile“ Materialien eine relativ hohe Benetzbarkeit in Gegenwart von Wasser, was zu einem hohen Grad der „Ausbreitung“ bzw. „Schichtbildung“ von Wasser über der festen Oberfläche führt. Im Gegensatz dazu wird für Anwendungen, die eine geringe Wechselwirkung zwischen Festkörper und Flüssigkeit erfordern, die Benetzbarkeit im Allgemeinen so gering wie möglich gehalten, um die Bildung flüssiger Tropfen mit einem hohen Kontaktwinkel und somit einer minimalen Kontaktfläche zur festen Oberfläche zu fördern. „Hydrophobe“ Materialien haben eine relativ geringe Wasser-Benetzbarkeit (mit einem Kontaktwinkel allgemein bei oder oberhalb von 90 Grad); sogenannte „superhydrophobe“ Materialien (häufig beschrieben, als wiesen sie einen Kontaktwinkel von mehr als 120 Grad auf) haben eine noch geringere Wasser-Benetzbarkeit, wobei die Flüssigkeit nahezu kugelförmige Tropfen bildet, die in vielen Fällen bei der geringsten Störung leicht von der Oberfläche abrollen bzw. -perlen.
Wärmeübertragungs-Ausrüstungen, wie Kondensatoren, stellen ein Beispiel für eine Anwendung dar, bei der das Aufrechterhalten von Oberflächenwasser als Tröpfchen statt als Film wichtig ist. Zwei alternative Mechanismen können einen Kondensationsprozess beeinflussen. In den meisten Fällen bildet die kondensierende Flüssigkeit (das „Kondensat“) einen Film, der die gesamte Oberfläche bedeckt; dieser Mechanismus ist als filmartige oder filmweise Kondensation bekannt. Der Film bietet einen beträchtlichen Widerstand gegen den Wärmeübergang zwischen dem Dampf und der Oberfläche und dieser Widerstand nimmt mit steigender Filmdicke zu. In anderen Fällen bildet das Kondensat Tröpfchen auf der Oberfläche, die auf der Oberfläche wachsen, mit anderen Tropfen zusammenlaufen und unter der Wirkung der Schwerkraft oder aerodynamischer Kräfte von der Oberfläche entfernt werden, was eine frisch freigelegte Oberfläche zurücklässt, auf der sich neue Tropfen bilden können. Diese sogenannte „tropfenweise“ Kondensation führt zu beträchtlich höheren Wärmeübertragungsraten als eine filmartige Kondensation, doch ist die tropfenweise Kondensation allgemein ein instabiler Zustand, der im Laufe der Zeit häufig durch eine filmartige Kondensation ersetzt wird. Anstrengungen, eine tropfenweise Kondensation gegenüber einer filmartigen Kondensation als einen Wärmeübertragungsmechanismus in praktischen Systemen zu stabilisieren und zu fördern, haben häufig die Einbeziehung von Zusätzen in das kondensierende Medium, um die Neigung des Kondensates, eine Oberfläche zu benetzen (d.h., einen Film auf der Oberfläche zu bilden), zu reduzieren, oder den Einsatz von Polymerfilmen geringer Oberflächenenergie erfordert, die auf die Oberfläche aufgebracht wurden, um die Filmbildung zu verringern. Diese Methoden haben insofern Nachteile, als der Einsatz von Zusätzen bei vielen Anwendungen nicht praktikabel sein mag und die Benutzung von Polymerfilmen einen signifikanten thermischen Widerstand zwischen der Oberfläche und dem Dampf einführen kann. Polymerfilme können auch häufig an geringer Haftung und Haltbarkeit in vielen aggressiven industriellen Umgebungen leiden.
Das Strukturieren oder Aufrauen der Oberfläche kann den Kontaktwinkel von Wasser auf einer Oberfläche verändern. Eine Oberflächenstruktur, die die Tortuosität der Oberfläche erhöht, aber den Kontakt zwischen Wassertropfen und der Oberfläche aufrechterhält, wird den Kontaktwinkel eines hydrophoben Materials erhöhen und den Kontaktwinkel eines hydrophilen Materials vermindern. Wenn, im Gegensatz dazu, eine Struktur verliehen wird, die Regionen von Luft unterhalb eines Wassertropfens aufrechterhält, dann wird die Oberfläche hydrophober. Selbst eine intrinsisch hydrophile Oberfläche kann ein hydrophobes Verhalten zeigen, wenn die Oberfläche strukturiert ist, um einen genügend hohen Anteil von Luft unterhalb des Wassertropfens aufrechtzuerhalten. Für Anwendungen, die ein stark hydrophobes oder superhydrophobes Verhalten erfordern, ist es jedoch in der Praxis allgemein erwünschter, eine hydrophobe Oberfläche zu strukturieren als eine hydrophile Oberfläche. Eine intrinsisch hydrophobe Oberfläche liefert gewöhnlich das Potenzial für einen höheren effektiven Kontaktwinkel nach einer Strukturierung als eine an sich hydrophile Oberfläche und sorgt im Allgemeinen für einen höheren Grad der Benetzungsbeständigkeit, selbst wenn die Oberflächenstrukturierung im Laufe der Zeit weniger wirksam wird, da sich die Struktur abnutzt.
Es ist relativ wenig über die intrinsische Hydrophobie breiter Klassen von Materialien bekannt. Im Allgemeinen sind die meisten der Materialien, von denen bekannt ist, dass sie einen Kontaktwinkel mit Wasser von mehr als 90 Grad aufweisen, Polymere, wie Tetrafluorethylen, Silane, Wachse, Polyethylen und -propylen. Unglücklicherweise haben Polymere Beschränkungen hinsichtlich Temperatur und Haltbarkeit, die ihre Anwendung begrenzen können, weil viele praktische Oberflächen, denen geringe Benetzbarkeitseigenschaften nutzen würden, im Einsatz hohen Temperaturen, Erosion oder scharfen Chemikalien ausgesetzt sind.
Keramische Materialien sind gewöhnlich gegenüber Polymeren unter vielen Gesichtspunkten, die die Haltbarkeit betreffen, überlegen. Von den keramischen Materialien sind Oxidkeramiken besonders brauchbar, weil sie gut herstellbar sind, häufig eine hohe Umweltbeständigkeit haben und gute mechanische Eigenschaften aufweisen können. Unglücklicherweise gibt es praktisch keine bekannten Oxidkeramiken, die hydrophob sind. Eine bemerkenswerte Ausnahme ist Silicalit, ein Zeolithpolymorph von SiO₂ [E.M. Flanigen, J.M. Bennett, R.W. Grose, J.P. Cohen, R.L. Patton, R.M. Kirchner und J.V. Smith, „Silicalite, a new hydrophobic crystalline silica molecular sieve", („Silicalit, ein neues hydrophobes kristallines Siliciumdioxid-Molekularsieb"), Nature, Band 271, 512 (1978)]. Für dieses Material ist die spezifische Kristallstruktur sehr wichtig, weil amorphes SiO₂ einen sehr geringen hydrophilen Benetzungswinkel zeigt. Die Synthesebedingungen, die zum Bilden von Zeolithkristallen benötigt werden, können jedoch den Anwendbarkeitsbereich solcher Materialien als hydrophobe Oberflächen begrenzen, und die Porosität von Zeolithkristallen macht sie für Anwendungen, die Haltbarkeit erfordern, weniger erwünscht.
DE 695 04 678 T2 beschreibt einen metalloxidbeschichteten Faserkern und ein Verfahren zum Abscheiden mehrerer Beschichtungslagen auf einem Faserkern mit den Schritten: (a) elektrophoretisches Abscheiden von teilchenförmigem Material aus einem Sol auf einem elektrisch leitfähigen Faserkern durch Anlegen einer Gleichstromspannung zwischen dem Faserkern und einer entgegengesetzt geladenen Elektrode für eine Zeit, wobei das Sol Wasser, einen Alkohol und das teilchenförmige Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoff, Silizium, Bor, Bornitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Chromoxid, Lanthanoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid und Mischungen davon besteht; (b) Entfernen des beschichteten Faserkerns aus dem Sol; und (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b).
DE 10 2004 001 391 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschicht für den Korrosionsschutz und die Wärmedämmung auf einem komplex geformten Bauteil, z.B. einer Laufschaufel oder Leitschaufel einer Gasturbine, mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), wobei die Oberflächenschichten aus Legierungen, Oxiden oder Mischoxiden mindestens eines Elementes der Gruppe Ti, Zr, Hf, Si, B, Al, Y, Mg, Ca, Ni, Co, Cu, Cr und/oder Ce bestehen.
Es bleibt daher in der Technik ein Bedarf an Oxidkeramiken, die eine geringere Flüssigkeits-Benetzbarkeit haben als konventionelle Oxide, die stabile tropfenweise Kondensation fördern, bei erhöhten Temperaturen stabil sind und für Beschichtungszwecke verarbeitet werden können und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Es besteht ferner ein Bedarf an Gegenständen, die mit diesen benetzungsbeständigen Oxidkeramiken überzogen sind.
KURZE BESCHREIBUNG
Es ist ein Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen, der diese und weitere Bedürfnisse erfüllt. Der Gegenstand weist ein Material auf, das ein primäres Oxid und ein sekundäres Oxid aufweist. Das sekundäre Oxid unterscheidet sich von dem primären Oxid und weist eine geringere intrinsische Oberflächenenergie als das primäre Oxid auf. Das primäre Oxid umfasst mindestens ein Kation, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cer, Praseodym, Terbium und Hafnium besteht. Das sekundäre Oxid umfasst mindestens ein Kation, das aus der Gruppe der Seltenerdelemente ausgewählt ist. Das Material des gesamten Überzugs an dem Gegenstand weist eine Gesamtporosität von weniger als 5 Vol.-% auf. Sofern in der vorliegenden Beschreibung Ausführungsformen beschrieben sind, die ein primäres und ein sekundäres Oxid aufweisen, so soll es für jedermann selbstverständlich sein, dass jede Ausführungsform über ein oder mehrere primäre bzw. sekundäre Oxide aus einer ausgewählten Gruppe verfügen kann.
Eine andere Ausführungsform ist ein Gegenstand mit dem Überzugsmaterial, das das primäre Oxid und das sekundäre Oxid aufweist. Das primäre Oxid umfasst Cer oder Hafnium. Das sekundäre Oxid umfasst (i) Praseodym oder Ytterbium und (ii) ein anderes Kation, das aus der Gruppe der Seltenerdelemente ausgewählt ist.
ZEICHNUNG
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugsziffern gleiche Teile repräsentieren, wobei:

1 ein Datendiagramm zeigt, das den statischen Wasser-Kontaktwinkel als ein Funktion der Materialzusammensetzung für Oxide veranschaulicht, die Lanthan, Cer und Hafnium umfassen;
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein Datendiagramm ist, das den statischen Wasser-Kontaktwinkel als eine Funktion der Materialzusammensetzung für Oxide zeigt, die Cer und Lanthan umfassen;
4 ein Datendiagramm ist, das den statischen Wasser-Kontaktwinkel als eine Funktion der Materialzusammensetzung für Oxide zeigt, die Cer und Praseodym umfassen;
5 ein Datendiagramm ist, das den statischen Wasser-Kontaktwinkel als eine Funktion der Materialzusammensetzung für Oxide zeigt, die Cer und Neodym umfassen; und
6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen darauf, dass die Erfinder eine Klasse von Oxidkeramiken gefunden haben, die gewisse überraschende Eigenschaften zeigen. Erstens neigen sie zu einer signifikant geringeren Wasser-Benetzbarkeit als üblicherweise bekannte technische Oxide. Einige Zusammensetzungen sind intrinsisch hydrophob. Darüber hinaus haben einige Zusammensetzungen, selbst solche, die nicht intrinsisch hydrophob sind, die Fähigkeit gezeigt, eine stabile tropfenweise Wasserkondensation zu erhalten, was sie zu interessanten Kandidaten zum Einsatz bei, z.B., Wärmeübertragungsanwendungen macht. Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass dieses Verhalten zu der Natur der Sauerstoff-Kationen-Bindung in Beziehung steht, die innerhalb der Kristallstruktur des Oxids auftritt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen gewisse Materialzusammensetzungen. Andere Ausführungsformen umfassen Überzüge und Gegenstände, die diese Zusammensetzungen einschließen. Diese Zusammensetzungen können in irgendeiner Form vorliegen, wie, z.B., als Pulver, Überzüge und Barren. Die hierin beschriebenen Materialien sind im Allgemeinen eine Mischung oder eine Verbindung mehrerer Oxide. In dieser Beschreibung kann die Zusammensetzung des Materials anhand seiner Komponentenoxide beschrieben werden, wie, z.B., Ceroxid (CeO₂) und Lanthanoxid (La₂O₃), selbst wenn diese Komponentenoxide, aufgrund von Wechselwirkungen, wie Phasentransformationen und chemischen Reaktionen, in dem Material technisch nicht vorhanden sind. Diese Feststellung steht in Übereinstimmung mit dem, was üblicherweise in der Technik benutzt wird, wo, z.B., eine Verbindung, wie Lanthancerat auch austauschbar als La₂O₃·2CeO₂, LaO_1,5·2CeO₂ oder La₂Ce₂O₇ bezeichnet werden kann.
Das Material, das in gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, hat eine kubische Kristallstruktur vom Fluorittyp. Ceroxid ist ein Beispiel eines Keramikoxids mit dieser Kristallstruktur. Wie weiter unten beschrieben wird, haben die Erfinder in vielen Fällen bemerkenswerte Benetzungscharakteristika bei Materialien beobachtet, die diese Kristallstruktur aufweisen, obwohl es derzeit nicht angenommen wird, dass diese Kristallstruktur eine notwendige Bedingung ist, um solche Charakteristika zu entwickeln.
Eines der Oxide des Materials wird hierin als das „primäre Oxid“ bezeichnet. Das primäre Oxid hat ein Kation, das mindestens eine gewisse Neigung zum vierwertigen Verhalten aufweist. Es wird angenommen, dass die vierwertige Qualität des primären Oxidkations eine Rolle beim Stabilisieren des Materials in Gegenwart von Wasser spielt. Ein anderes der Komponentenoxide des Materials wird hierin als das „sekundäre Oxid“ bezeichnet. In gewissen Ausführungsformen ist das sekundäre Oxid derart ausgewählt, dass es eine geringere intrinsische Oberflächenenergie als das primäre Oxid hat. Die geringere „intrinsische“ Oberflächenenergie äußert sich allgemein durch einen höheren Kontaktwinkel für eine Bezugsflüssigkeit (wie, z.B., Wasser) auf einer Oberfläche des reinen sekundären Oxids in Bezug auf den Kontaktwinkel für diese Flüssigkeit auf einer Oberfläche des reinen primären Oxids. Beispiele von Kationen, deren Oxide eine überraschend geringe Oberflächenenergie (hohen Kontaktwinkel der Bezugsflüssigkeit) gezeigt haben, schließen Lanthan, Praseodym, Ytterbium und Neodym ein. Viele der sekundären Oxide sind jedoch zumindest etwas hygroskopisch, was sie, wenn man sie für sich selbst benutzt, für viele praktische Anwendungen ungeeignet macht, die zumindest einen zufälligen Kontakt mit Feuchtigkeit einschließen. Es ist festgestellt worden, dass diese Beschränkung, wie oben beschrieben, durch die Zugabe von primärem Oxid gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen gemildert wird, wobei die Zugabe das Material in Gegenwart von Wasser zu stabilisieren scheint und somit Gelegenheiten zum Einsatz des Materials in praktischen technischen Anwendungen bietet.
Es sollte klar sein, dass, wenn hierin Materialien und Gegenstände als ein oder mehrere Komponenten „umfassend“ oder „enthaltend“ oder dergleichen beschrieben sind, der Umfang der Beschreibung, ohne Einschränkung, Materialien, die nur aus den angegebenen Komponenten hergestellt sind, Materialien, die aus den angegebenen Komponenten hergestellt sind und andere Komponenten einschließen, die die Benetzbarkeit des Materials nicht wesentlich beeinflussen, und Materialien einschließt, die die genannten Komponenten einschließen, aber andere Komponenten nicht ausschließen. Wenn Listen von Alternativen angegeben sind, sind die Alternativen nicht als ausschließlich gemeint; ein oder mehrere der Alternativen können ausgewählt werden, ausgenommen, wenn dies explizit anders ausgeführt ist.
In einer Ausführungsform enthält ein Material ein primäres Oxid, das Kationen („primäre Oxidkationen“) von Cer und Hafnium aufweist. In einigen Ausführungsformen liegt ein molares Verhältnis von Cerkationen zu primären Oxidkationen im Bereich von 0,01 bis etwa 0,99, und in gewissen Ausführungsformen reicht dieser Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,9. Das Material enthält auch ein sekundäres Oxid, das ein Kation („sekundäres Oxidkation“) aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Seltenerdelemente, einschließlich Yttrium und Scandium umfasst; in bestimmten Ausführungsformen kann das sekundäre Oxidkation Lanthan, Praseodym, Ytterbium oder Neodym sein. In gewissen Ausführungsformen liegt ein molares Verhältnis der primären Oxidkationen zu den im Material insgesamt vorhandenen Kationen im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,95; in einigen Ausführungsformen reicht dieser Bereich von etwa 0,25 bis etwa 0,9; und in bestimmten Ausführungsformen beträgt das molare Verhältnis etwa 0,5. 1 zeigt ein Beispiel für das Verhalten eines solchen Materials, bei dem das sekundäre Oxid Lanthanoxid war und das primäre Oxid Cer und Hafnium in verschiedenen relativen Anteilen einschloss, wobei das Gesamtverhältnis der primären Oxidkationen zu insgesamt in dem Material vorhandenen Kationen 0,5 betrug. Bemerkenswerterweise zeigten alle Zusammensetzungen ein tropfenweises Wasserkondensationsverhalten, obwohl keines der getesteten Kombinationsmaterialien einen Kontaktwinkel von 90 Grad oder mehr aufwies.
In einer anderen Ausführungsform enthält ein Material ein primäres Oxid mit einem primären Oxidkation von Cer oder Hafnium. In einigen Ausführungsformen liegt das molare Verhältnis der primären Oxidkationen zu insgesamt in dem Material vorhandenen Kationen innerhalb irgendwelcher der entsprechenden Bereiche, wie sie für das zuvor beschriebene Material angegeben wurden. Das Material schließt weiter ein sekundäres Oxid ein, das (i) ein erstes sekundäres Oxidkation, umfassend Praseodym oder Ytterbium, und (ii) ein zweites sekundäres Oxidkation, umfassend ein anderes Seltenerdelement, einschließlich Yttrium oder Scandium, aufweist. In gewissen Ausführungsformen liegt ein molares Verhältnis der ersten sekundären Oxidkationen zu allen sekundären Oxidkationen im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,99; in gewissen Ausführungsformen reicht dieser Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,95; und in besonderen Ausführungsformen beträgt dieser Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,90. In spezifischen Ausführungsformen umfasst das sekundäre Oxid Praseodym und Lanthan, und in einigen Ausführungsformen umfasst das sekundäre Oxid Ytterbium und Lanthan.
Weitere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in 2 dargestellt sind, schließen einen Gegenstand 200 mit einem Überzug 202 ein, wobei der Überzug 202 die hierin beschriebenen Materialien umfasst. In einigen Ausführungsformen macht dieses Oxidmaterial („das Material“) mehr als etwa 50% des Überzugsvolumens aus. In gewissen Ausführungsformen macht das Material mehr als etwa 75% des Überzugsvolumens aus, und in einigen Ausführungsformen macht das Material im Wesentlichen das gesamte Überzugsvolumen aus (außer für zufällige Verunreinigungen und Poren). In einigen Ausführungsformen hat dieser Überzug 202 einen geringen Grad an, mit der Oberfläche verbundener Porosität, wie bspw. bis zu etwa 5 Vol.-%. In gewissen Ausführungsformen ist die mit der Oberfläche verbundene Porosität sogar noch geringer, beträgt bspw. weniger als 2%, weniger als 1%, weniger als 0,5% oder weniger als 0,1% (alle Prozentsätze beziehen sich auf das Volumen). In einigen Ausführungsformen ist der Überzug 202 aus einem Material hergestellt, das im Wesentlichen theoretisch dicht ist. Ein geringer Gehalt an mit der Oberfläche verbundener Porosität kann die Absorption von Wasser in ein Porennetzwerk verhindern und dadurch eine Flüssigkeit an der Oberfläche des Gegenstandes halten. Selbst eine Oberfläche, die, z.B., aus einem stark hydrophoben Material hergestellt ist, kann Wasser absorbieren, wenn das Ausmaß der offenen Porosität unangemessen hoch ist, was die Oberfläche unwirksam als Sperre gegen Wasser macht.
In einigen Ausführungsformen umfasst der oben beschriebene Artikel bzw. Gegenstand ferner ein Substrat 204, wie, z.B., ein Metallsubstrat, auf dem der vorgenannte Überzug 202 angeordnet ist. Beispiele von Metallsubstraten schließen Metalle und Legierungen ein, die mit Aluminium, Stahl, korrosionsbeständigem Stahl, Nickel, Kupfer oder Titan hergestellt sind. Insbesondere sind übliche technische Legierungen, wie beispielsweise korrosionsbeständiger Stahl 306, korrosionsbeständiger Stahl 316, korrosionsbeständiger Stahl 403, korrosionsbeständiger Stahl 422, korrosionsbeständiger Stahl Custom 450, kommerziell reines Titan, Ti-4V-6Al und 70Cu-30Ni, geeignete Substrate.
Es können aus beliebigem Grund verschiedene (nicht gezeigte) Zwischenüberzüge aufgebracht werden, um beispielsweise die erwünschte Haftung zwischen Substrat und Überzug zu erzielen, was von der Art der einbezogenen Materialien und den ausgewählten Verfahren zum Verarbeiten der Materialien abhängt. Solche Variationen liegen im Allgemeinen innerhalb des Fachwissens eines Fachmanns. Die Dicke des Überzuges hängt von der Natur der Umgebung und der für den Gegenstand vorgesehenen Anwendung ab. In einer Wärmetauscher-Anwendung, z.B., ist der Überzug typischerweise ausgelegt, um den thermischen Widerstand zwischen der Umgebung und dem Substrat zu minimieren und dabei eine praktische Nutzungslebensdauer zu erzielen. Die Bestimmung der Überzugsdicke für eine gegebene Anwendung liegt innerhalb des Fachwissens eines Fachmanns.
In einigen Ausführungsformen hat das Material, sei es in einem Überzug oder einem freistehenden Objekt verkörpert, ein geringes Niveau der Gesamtporosität, beispielsweise weniger als etwa 5 Vol.-%. In gewissen Ausführungsformen ist die Gesamtporosität des Materials noch geringer, beispielsweise geringer als etwa 1%. In einigen Ausführungsformen ist das Material theoretisch im Wesentlichen durchgehend dicht. Die Gesamtporosität des Materials spielt, wie die Dicke des oben beschriebenen Überzuges, eine Rolle bei der Bestimmung des thermischen Widerstandes des Gegenstandes: eine höhere Porosität hat typischerweise einen hohen thermischen Widerstand zur Folge. Das Aufrechterhalten einer geringen Gesamtporosität kann daher in Ausführungsformen wichtig sein, bei denen ein geringer thermischer Widerstand erwünscht ist.
Es kann ein beliebiges Herstellungsverfahren, das für die Herstellung und/oder Abscheidung bzw. Aufbringung von Keramikoxid-Materialien brauchbar ist, zum Herstellen der hierin beschriebenen Materialien und Gegenstände benutzt werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen demgemäß ein Verfahren zum Schützen eines Gegenstandes vor einer flüssigkeitshaltigen Umgebung ein, das ein Aufbringen eines Überzuges 202 auf ein Substrat 204 aufweist, wobei der Überzug 202 irgendeines der hierin beschriebenen Materialien oder Überzüge umfasst. Beispiele allgemein bekannter Verfahren, die zum Herstellen von Keramikoxid-Materialien in der Lage sind, schließen Pulver-Verarbeitung, Sol-Gel-Verarbeitung, chemische Dampfabscheidung und physikalische Dampfabscheidung ein. Bei Pulver-Verarbeitungsverfahren wird ein keramischer Gegenstand aus Keramikpartikeln unter Anwendung eines Verfahrens geformt, wie bspw. Pressen, Foliengießen, Band-Strangpressen oder Siebdruck und dann Verfestigen und Verdichten der Pulver unter Anwendung eines Sinterprozesses. Sol-Gel-Verarbeitungsverfahren führen einen Keramik-Precursor in flüssiger Form einem Substrat zu, woraufhin das Keramikmaterial im Wesentlichen durch chemische Reaktionen, wie Hydrolysieren und Polymerisation, gebildet und danach wärmebehandelt wird, um das Keramikmaterial zu erzeugen und zu verdichten. Chemische Dampfabscheidungs-Methoden schließen das Bereitstellen gasförmiger Precursormoleküle auf einem erhitzten Substrat zum Bilden eines Keramikgegenstandes ein, und sie umfassen eine chemische Dampfabscheidung unter Atmosphärendruck, chemische Dampfabscheidung bei geringem Druck, chemische Dampfabscheidung metallorganischer Materialien und Plasma-geförderte chemische Dampfabscheidung ein. Physikalische Dampfabscheidungs-Verfahren erzeugen einen Materialdampf aus festen Precursorn und liefern den Dampf zu einem Substrat zum Bilden eines Keramikgegenstandes. Physikalische Dampfabscheidungs-Prozesse schließen Zerstäuben, Verdampfen und Laserabscheidung ein. Im Falle massiver Keramikgegenstände wird das Substrat zur Bildung des Keramikkörpers in Form eines Tiegels, einer Form oder eines Dornes benutzt und nachfolgend entfernt. Im Falle von Keramiküberzügen bleibt der Keramikgegenstand an dem Substrat haften. Die Verarbeitungsverfahren können von einem Fachmann ausgewählt und angepasst werden, um die erwünschte Kontrolle der chemischen Zusammensetzung und Dichte der Keramikoxid-Gegenstände hervorzubringen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Oberfläche des Materials, z.B. ein Überzug 202, ferner eine Oberflächenstruktur (Oberflächentextur) 206, um die benetzungsbeständigen Eigenschaften des Gegenstandes weiter zu verbessern. Eine Oberflächenstruktur 206 umfasst Merkmale 208, die an der Oberfläche angebracht bzw. angeordnet sind; zu Beispielen für solche Merkmale gehören, ohne Einschränkung, Erhöhungen (wie beispielsweise zylindrische Pfosten, rechteckige Prismen, pyramidenförmige Prismen, Dendrite, Nanostäbe, Nanorohre, Teilchenfragmente, Abschleifmarkierungen und Ähnliche) und Vertiefungen (wie Löcher, Bohrungen und Ähnliche). In einigen Ausführungsformen dient die Oberflächenstruktur der Verstärkung der Tortuosität der Oberfläche, was den Kontaktwinkel eines hydrophoben Materials erhöht. In anderen Ausführungsformen sind die Merkmale von einer Größe und Konfiguration, um Lufttaschen zwischen einem Flüssigkeitstropfen und der Oberfläche zu erzeugen, was die effektive Oberflächenernergie verringern und einen höheren Kontaktwinkel erzeugen kann, als er für eine glatte Oberfläche erwartet werden würde. Beispiele solcher Strukturen und Verfahren zum Erzeugen derselben sind in den eigenen Patentanmeldungen US 2007/0028588 A1 und US 2007/0031639 A1 beschrieben, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen sind.
Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gegenstand 200. Der Gegenstand umfasst einen Überzug 202, der einen geringen Grad an Oberflächenporosität aufweist, wie oben beschrieben. Dieser Überzug 202 umfasst ein Material, das primäre und sekundäre Oxide einschließt. In einigen Ausführungsformen ist das Material irgendeines der oben beschriebenen. In anderen Ausführungsformen umfasst das primäre Oxid ein Kation, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cer, Praseodym, Terbium und Hafnium, während das sekundäre Oxid, das wie oben beschrieben eine geringere intrinsische Oberflächenenergie als das primäre Oxid aufweist, ein Kation umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der andere Seltenerdelemente, einschließlich Yttrium und Scandium gehören. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das primäre Oxid ein Kation, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cer und Hafnium. Darüber hinaus enthält in einigen Ausführungsformen das sekundäre Oxidkation Lanthan, Praseodym oder Neodym. Die obige Beschreibung in Bezug auf Ausführungsformen, die mit dem Material überzogene Substrate enthalten, oder die Nutzung strukturierter Oberflächen 206, gilt auch für diese Ausführungsform.
In einem Satz von Ausführungsformen umfasst das primäre Oxid Ceroxid. Ceroxid kann mit einem Sekundäroxid unter Bildung eines stabilen Oxidmaterials kombiniert werden, das erwünschte Eigenschaften, wie sie oben beschrieben sind, aufweist. In einem Beispiel umfasst das Sekundäroxid Lanthanoxid. In gewissen Ausführungsformen unter Einsatz dieses lanthanhaltigen Materials macht das Cerkation mindestens etwa 25 Mol-% der in dem Material vorhandenen Kationen aus; und in bestimmten Ausführungsformen macht das Cerkation von etwa 45 Mol-% bis etwa 55 Mol-% der in dem Material vorhandenen Kationen aus. 3 zeigt Kontaktwinkel-Messungen, die für einen Bereich binärer Kombinationen von Ceroxid und Lanthanoxid ausgeführt wurden. Bemerkenswerterweise ergaben alle getesteten Zusammensetzungen eine stabile tropfenweise Wasserkondensation, während reines Ceroxid eine filmartige Kondensation erzeugte.
In einem anderen Beispiel umfasst das primäre Oxid Ceroxid, während das sekundäre Oxid Praseodymoxid umfasst. In gewissen Ausführungsformen macht das Cerkation mindestens 7 Mol-% der in dem Material vorhandenen Kationen aus. In besonderen Ausführungsformen macht das Cerkation einen Mol-%-Gehalt der in dem Material vorhandenen Kationen in dem Bereich von etwa 7 bis etwa 60% aus, wobei in diesem Bereich die höchsten Wasser-Kontaktwinkel beobachtet wurden. 4 zeigt Kontaktwinkel-Messungen, die für einen Bereich binärer Kombinationen von Ceroxid und Praseodymoxid durchgeführt wurden. Trotz der Tatsache, dass Ceroxid selbst eine filmartige Wasserkondensation erzeugt, ergaben alle Materialien mit einer Ceroxid/Praseodymoxid-Kombination, die getestet wurden, eine stabile tropfenweise Kondensation.
In einem anderen Beispiel umfasst das primäre Oxid Ceroxid, und das sekundäre Oxid umfasst Neodymoxid. In gewissen Ausführungsformen macht das Cerkation mindestens etwa 20 Mol-% der in dem Material vorhandenen Kationen aus. In bestimmten Ausführungsformen macht das Cerkation einen Mol-%-Gehalt der in dem Material vorhandenen Kationen im Bereich von etwa 20% bis etwa 60% aus, wobei in diesem Bereich die höchsten Wasser-Kontaktwinkel beobachtet wurden. 5 zeigt Kontaktwinkel-Messungen, die für einen Bereich binärer Kombinationen von Ceroxid und Neodymoxid ausgeführt wurden. Überraschenderweise zeigten erneut alle getesteten Neodymoxid/Ceroxid-Kombinaionsmaterialien eine tropfenweise Wasserkondensation.
Obwohl gewisse oben beschriebene Beispiele Materialien hervorhoben, die aus binären Kombinationen eines einzelnen primären Oxids mit einem einzelnen sekundären Oxid hergestellt wurden, sollte klar sein, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung solche einschließen, bei denen entweder das primäre Oxid und/oder das sekundäre Oxid aus mehr als einer Oxidkomponente hergestellt ist/sind. In einigen Ausführungsformen umfasst, z.B., das primäre Oxid mehr als ein einzelnes Oxid, und jedes dieser Oxide ist ein Oxid, das als ein Kation Cer, Praseodym, Terbium oder Hafnium enthält. In einem Beispiel beträgt das molare Verhältnis des primären Oxidkations zum sekundären Oxidkation etwa 1, was bedeutet, dass das Material einen gleichen Molenbruch des primären Oxidkations und des sekundären Oxidkations aufweist. So kann, z.B., das Material eine Zusammensetzung der Formel S₂Z_2-xZ'_xO_7+/-y aufweisen, worin S alle Kationen (seien es eine oder mehrere Kationenarten) des sekundären Oxids bezeichnet, Z bzw. Z' ein Kation des primären Oxids bezeichnet, y eine Zahl kleiner als 1 ist und x eine Zahl im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 1,99 ist. Der Molenbruch bzw. Stoffmengenteil des sekundären Oxidkations ist hier gleich dem Molenbruch des primären Oxidkations - beide haben einen Wert von 2 Molen Kation pro Mol Material. Der Wert von y hängt von der Neigung der Kationen zu vierwertigen Zuständen gegenüber dreiwertigen Zuständen ab und variiert, wie erforderlich, durch Ladungsausgleich. Wie oben erläutert, zeigt 1 ein Beispiel des Verhaltens eines solchen Materials, wobei S Lanthan bezeichnet, Z Cer ist und Z' Hafnium ist.
Wärmesperrüberzüge aus Ceraten, wie Lanthancerat, und Hafnaten, wie Lanthanhafnat (La₂Hf₂O₇) sind in der Technik bekannt. Siehe, z.B., US 6,835,465 B2 und US 6,387,526 B1 . Obwohl die für diese Überzüge benutzten Zusammensetzungen ähnlich einigen oben beschriebenen sind, haben die im Stande der Technik beschriebenen Überzüge deutlich andere Benetzungsbeständigkeits-Eigenschaften, verglichen mit den hierin beschriebenen Materialien und Gegenständen. Wärmesperrüberzüge werden im Allgemeinen unter Benutzung von thermischen Spritztechniken und physikalischen Dampftechniken aufgebracht, von denen bekannt ist, dass sie beide Überzüge mit relativ hohen Niveaus der Porosität erzeugen. Typische industrielle Wärmesperrüberzüge haben eine Porosität im Bereich von etwa 10% bis etwa 25%, und Forscher haben gezeigt, dass Wärmesperrüberzüge, die beispielsweise mit Lanthancerat hergestellt sind, diese typischen Porositätsniveaus zeigen [siehe, z.B., Cao et al, Advanced Materials, Band 15, Ausgabe 17, Seiten 1438-1442 (2003)]. Die Porosität ergibt, so wird allgemein angenommen, einen Vorteil in diesen Anwendungen, da sie die thermische Beständigkeit und Dehnungsnachgiebigkeit des Überzuges fördern kann. So ist, z.B., gut dokumentiert, dass die für thermische Zyklen von Wärmesperrüberzügen erforderliche Dehnungsnachgiebigkeit es erfordert, dass beträchtliche Porösitätsmengen in den Überzügen in Form von Lücken zwischen Säulen in EB-PVD-Überzügen und Porosität zwischen Spritzern bei thermisch gespritzten Überzügen vorhanden sind. Die Verteilung und Morphologie von Überzügen, die durch beide Verfahren aufgetragen werden, wurde ausgedehnt untersucht, um die Förderung der thermischen Beständigkeit der Überzüge ebenso wie nachteilige Auswirkungen auf thermische und mechanischen Eigenschaften zu verstehen, die durch den Verlust an Porosität durch Sintern verursacht werden. Solche Arbeiten haben gezeigt, dass das Sintern des Überzuges zu einer Abnahme der Porosität und einer Zunahme des Young-Moduls führt, was zu höheren thermisch induzierten Spannungen und einer Abnahme der thermischen Ermüdungslebensdauer des Wärmesperrüberzuges führt. Aus diesen Gründen sind Wärmesperrüberzüge im Allgemeinen so strukturiert, dass sie ein hohes Niveau der Porosität über lange Lebensdauern bei erhöhten Temperaturen aufrechterhalten.
In starkem Kontrast zu Wärmesperrüberzügen sind jedoch die in gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benutzten Oxide deutlich dichter, weil es ihre primäre Funktion ist, nicht die Wärmeübertragung zu dem Substrat zu verhindern, sondern den Aufbau von Flüssigkeiten, Eis oder eines anderen Fremdmaterials an der Überzugsoberfläche zu verhindern. Die hohen Porositätsniveaus, die für die Wärmesperrüberzüge beschrieben sind, wären für den Gebrauch bei vielen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht geeignet. Tatsächlich ist, wie oben ausgeführt, bei vielen Wärmeübertragungsanwendungen das Material so entworfen, dass es die thermische Beständigkeit minimiert, was typischerweise erfordern würde, Porositätsniveaus zu erzielen, die so gering wie praktisch möglich sind.
Die für die obigen Ausführungsformen beschriebenen neuen Eigenschaften eignen sich für eine Menge brauchbarer Anwendungen, bei denen die Beständigkeit gegen Benetzung durch Flüssigkeiten erwünscht ist. Ein Kondensator, der beispielsweise zum Übertragen von Wärme zwischen einem heißen Dampf und einer Kühlflüssigkeit benutzt wird, wie er z.B. bei chemischen Prozessen, bei der Wasserentsalzung und Energieerzeugung eingesetzt wird, stellt ein Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die die oben beschriebenen Gegenstände und Materialien verwendet. 6 veranschaulicht eine übliche Art eines Kondensators: den Oberflächenkondensator 500. Dampf, z.B., tritt in eine Hülle 502 durch einen Einlass 504 ein, woraufhin er an der äußeren Oberfläche von Kondensationsrohren 506, durch die ein Kühlfluid 508, wie beispielsweise Wasser, strömt, zu Wasser kondensiert wird. Das (nicht gezeigte) Material, wie es oben beschriebenen ist, wird auf dieser äußeren Oberfläche der Kondensationsrohre 506 angeordnet und fördert dadurch eine tropfenweise Kondensation des Kondensatwassers aus dem Dampf. Das Kondensat wird durch das Material leicht von den Rohren 506 entfernt und tritt über einen Kondensatauslass 510 aus der Hülle 502 aus.
In gewissen Anwendungen, wie, z.B., Dampfturbinen, sind Metallkomponenten auftreffenden Wassertröpfchen ebenso wie kondensierenden Tropfen ausgesetzt. Da sich Dampf in einer Turbine ausdehnt, erscheinen Wassertröpfchen (typischerweise mit einer Größe wie im Nebel) in der Strömung. Diese Tröpfchen sammeln sich auf den Turbinenschaufeln und anderen Komponenten an und werden als größere Tropfen entfernt, die in Turbinen thermodynamische, aerodynamische und Erosionsverluste verursachen können. Die Fähigkeit, Wassertröpfchen von Komponenten zu entfernen, bevor sie eine Chance haben, sich zu wesentlich größeren Tropfen zu vereinen, ist somit wichtig, um die Lebensdauer des Systems und die Wirksamkeit des Betriebes zu maximieren. Wie oben ausgeführt, fördern viele der in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Zusammensetzungen die tropfenweise Kondensation, so dass eine Flüssigkeit von der Oberfläche in kleinen Tropfen statt in größeren Schichten entfernt wird. Demgemäß enthalten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Dampfturbinenanordnung, die den oben beschriebenen Gegenstand umfasst. In besonderen Ausführungsformen ist der Gegenstand eine Komponente einer Dampfturbinenanordnung, wie beispielsweise eine Turbinenlaufschaufel, eine Turbinenleitschaufel oder eine andere Komponente, die einem Auftreffen von Wassertröpfchen während des Turbinenbetriebes ausgesetzt ist.
Gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Bildung, Adhäsion und/oder Ansammlung von Eis auf Oberflächen reduzieren. Das Vereisen findet statt, wenn ein (manchmal unterkühlter) Wassertropfen auf die Oberfläche eines Gegenstandes, wie beispielsweise einer Flugzeugkomponente oder einer Komponente einer Turbinenanordnung (z.B. einer Gasturbine oder einer Windkraftanlage), auftrifft und auf der Oberfläche gefriert. Der Aufbau von Eis auf einem Flugzeug, auf Turbinenkomponenten und auf einer anderen Ausrüstung, die dem Wetter ausgesetzt ist, erhöht Sicherheitsrisiken und erzeugt Kosten für periodische Eisentfernungsmaßnahmen. Gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen ein Flugzeug ein, das die oben beschriebenen Gegenstände und Materialien umfasst; eine Komponente eines solchen Flugzeugs, die als ein Gegenstand, in dem die Erfindung verkörpert ist, dienen kann, kann z.B. einen Flügel, Schwanz, Rumpf oder eine Flugzeugtriebwerkskomponente einschließen. Nicht einschränkende Beispiele von Flugzeugtriebwerkskomponenten, die als Gegenstände in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen die Rumpf-Einlasslippe, Spalter-Vorderkante, Verstärkereinlass-Leitschaufeln, Gebläseauslass-Leitschaufeln, Sensoren und/oder deren Abschirmungen und Gebläseschaufeln ein.
Vereisen ist ein signifikantes Problem für Windkraftmaschinen, da der Aufbau von Eis auf verschiedenen Komponenten, wie Anemometern und Turbinenschaufeln, den Wirkungsgrad vermindert und die Sicherheitsrisiken beim Betrieb der Windkraftmaschine erhöht. Windkraftmaschinenflügel und andere Komponenten werden häufig aus Verbundmaterialien geringen Gewichtes, wie beispielsweise Fiberglas, hergestellt, um Gewicht einzusparen, und der Aufbau von Eis kann die Flügel bis zu einem Punkt belasten, der ihre Wirksamkeit signifikant vermindert. In gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der oben beschriebene Gegenstand eine Komponente, wie beispielsweise ein Flügel, Anemometer, Getriebe oder eine andere Komponente einer Windkraftmaschine bzw. -anlagen.
Da andere dem Wetter ausgesetzte Komponenten durch Eis- und/oder Wasseransammlung auch nachteilig beeinträchtigt werden, können andere Ausführungsformen, z.B., Komponenten anderer Gegenstände einschließen, die dem Wetter ausgesetzt sind, wie Stromleitungen und Antennen. Die Fähigkeit, einer Benetzung zu widerstehen, kann für eine Menge von Komponenten, die so ausgesetzt sind, nützlich sein, und die hierin angegebenen Beispiele sollten nicht dahingehend verstanden werden, dass sie die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur auf solche bezeichneten Anwendungen beschränken.
BEISPIEL
Es wird davon ausgegangen, dass ein Fachmann unter Verwendung der vorliegenden Beschreibung die vorliegende Erfindung in ihrem vollsten Ausmaß ohne weitere Ausarbeitung benutzen kann. Das folgende Beispiel ist eingeschlossen, um eine zusätzliche Leitung für den Fachmann bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung zu bieten. Das gegebene Beispiel ist lediglich repräsentativ für die Arbeit, die zu der Lehre der vorliegenden Erfindung beiträgt. Dieses Beispiel soll daher die Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, nicht in irgendeiner Weise beschränken.
Ein Überzug gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen wurde durch Hochfrequenz-Magnetsputtern auf ein kommerziell reines Titansubstrat aufgebracht. Das Sputtertarget wurde durch Pressen und Sintern einer Mischung aus primärem Oxid, hier Ceroxid, und sekundärem Oxid, hier Lanthanoxid, erzeugt, wobei das molare Verhältnis der primären Oxidkationen zu den insgesamt vorhandenen Kationen etwa 0,5 betrug. Ein Überzug mit einer Dicke von etwa 300 nm wurde unter Anwendung einer Auftragrate von 49 Å/min bei einer Vorwärtsleistung von 100 Watt in einer Gasmischung aus 7% Sauerstoff/93% Argon erzeugt. Der Kontaktwinkel mit Wasser für den Überzug betrug etwa 113 Grad. Der Überzug zeigte eine tropfenweise Kondensation in Dampf.
Während nur gewisse Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben wurden, werden dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen zugänglich sein. Es sollte daher klar sein, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Modifikationen und Änderungen abdecken, die in den wahren Rahmen der Erfindung fallen.
Es werden keramische Materialien mit relativ hoher Beständigkeit gegen Benetzung durch verschiedene Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, zusammen mit Gegenständen, die aus diesen Materialien hergestellt sind, Verfahren zum Herstellen dieser Gegenstände und Materialien und Verfahren zum Schützen von Gegenständen unter Einsatz von Überzügen, die aus diesen Materialien hergestellt sind, vorgestellt. Eine besondere Ausführungsform ist ein benetzungsbeständiger Gegenstand 200. Der Gegenstand 200 umfasst einen Überzug 202 mit einem mit der Oberfläche verbundenem Porositätsgehalt von bis zu etwa 5 Vol.-%. Der Überzug 202 umfasst ein Material, das ein primäres Oxid und ein sekundäres Oxid aufweist, wobei (i) das primäre Oxid ein Kation umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der Cer, Praseodym, Terbium und Hafnium gehören, und (ii) das sekundäre Oxid ein Kation umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der Seltenerdelemente, Yttrium und Scandium gehören.
Teileliste:

200: Gegenstand, Artikel
202: Überzug, Beschichtung
204: Substrat
206: Oberflächenstruktur
208: Merkmale
500: Kondensator
502: Hülle
504: Einlass
506: Kondensationsrohre
508: Kühlfluid
510: Kondensatauslass

Claims

Gegenstand (200), der aufweist: einen Überzug (202), der ein Material aufweist, das ein primäres Oxid und ein sekundäres Oxid umfasst, wobei das sekundäre Oxid sich von dem primären Oxid unterscheidet und eine geringere intrinsische Oberflächenenergie als das primäre Oxid aufweist, wobei (i) das primäre Oxid mindestens ein Kation aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cer, Praseodym, Terbium und Hafnium besteht, und (ii) das sekundäre Oxid mindestens ein Kation aufweist, das aus der Gruppe der Seltenerdelemente ausgewählt ist, wobei das Material des gesamten Überzugs (202) an dem Gegenstand (200) eine Gesamtporosität von weniger als 5 Vol.-% aufweist.
Gegenstand (200) nach Anspruch 1, worin der Überzug (202) ferner eine Oberflächenstruktur (206) zur Erhöhung der Benetzungsbeständigkeit des Gegenstandes (200) aufweist.
Gegenstand (200) nach Anspruch 1, worin das primäre Oxid ein Kation umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die sich aus Cer und Hafnium zusammensetzt.
Gegenstand (200) nach Anspruch 1, worin das sekundäre Oxid ein Kation umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der Lanthan, Praseodym und Neodym gehören.
Gegenstand (200) nach Anspruch 1, worin das primäre Oxid Ceroxid umfasst.
Gegenstand (200) nach Anspruch 5, worin das sekundäre Oxid Lanthanoxid umfasst.
Gegenstand (200) nach Anspruch 6, worin das Cerkation wenigstens 25 Mol-% der in dem Material vorhandenen Kationen ausmacht.
Gegenstand (200) nach Anspruch 5, worin das sekundäre Oxid Praseodymoxid umfasst.
Gegenstand (200) nach Anspruch 8, worin das Cerkation wenigstens etwa 7 Mol-% der in dem Material vorhandenen Kationen ausmacht.
Gegenstand (200) nach Anspruch 5, worin das sekundäre Oxid Neodymoxid umfasst.
Gegenstand (200) nach Anspruch 10, worin Cerkation mindestens etwa 20 Mol-% der in dem Material vorhandenen Kationen ausmacht.
Gegenstand (200) nach Anspruch 1, worin das primäre Oxid mehrere Oxide umfasst, wobei jedes Oxid ein Kation aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der Cer, Praseodym, Terbium und Hafnium gehören.
Gegenstand (200) nach Anspruch 12, worin ein Verhältnis des Molenbruches des primären Oxidkations zum Molenbruch des sekundären Oxidkations 1 ist.
Gegenstand (200) nach Anspruch 13, worin das Material eine Zusammensetzung der chemischen Formel S₂Z_2-xZ'_xO_7+/y aufweist, worin S alle Kationen des sekundären Oxids bezeichnet, Z bzw. Z' ein Kation des primären Oxids bezeichnet, y eine Zahl kleiner als 1 ist und x eine Zahl im Bereich von 0,01 bis 1,99 ist.
Gegenstand (200) nach Anspruch 14, worin S Lanthan umfasst, Z Cer ist und Z' Hafnium ist.
Kondensator (500), umfassend den Gegenstand (200) nach Anspruch 1.
Turbinen-Baueinheit, umfassend den Gegenstand (200) nach Anspruch 1.
Gegenstand (200) nach Anspruch 1, worin der Gegenstand (200) eine Komponente einer Dampfturbinen-Baueinheit ist.
Flugzeugtriebwerk-Baueinheit, umfassend den Gegenstand (200) nach Anspruch 1.
Windkraftmaschinen-Baueinheit, umfassend den Gegenstand (200) nach Anspruch 1.