Rauheit (ehem. Rauhigkeit)

Die Rauheit ist der Grad der Unebenheit einer Festkörperoberfläche unterhalb der Größenskala ihrer Form oder Welligkeit, aber oberhalb der Unregelmäßigkeit von Kristallgitterstrukturen. Der Grad der Rauheit hat Einfluss auf die Benetzbarkeit eines Festkörpers.

Rauheit und Benetzbarkeit

Da eine größere Rauheit mit einer größeren Oberfläche einhergeht, hat die Rauheit Auswirkungen auf die Benetzbarkeit eines Festkörpers und auf den Kontaktwinkel einer Flüssigkeit. Ob die Rauheit die Benetzbarkeit erhöht oder verringert, hängt vom Grad der Benetzbarkeit des nicht rauen Materials ab.

Benetzbarkeit bei Kontaktwinkeln des glatten Materials von unter 90°

Bildet eine Flüssigkeit auf einem glatten Festkörper Kontaktwinkel unter 90° aus, ist der Festkörper benetzbar. Auf einer rauen Oberfläche desselben Materials wird der Kontaktwinkel kleiner, das Material also noch besser benetzbar.

Die Nutzungs dieses Effekts gehört zum praktischen Alltagswissen, wenn zum Beispiel Holzteile vor dem Lackieren oder zu flickende Fahrradreifen vor dem Auftragen der Vulkanisierlösung angeschliffen werden. Im Zuge zur Benetzungsverbessung wird so auch die Haftung von Kleb-und Beschichtungsstoffen erhöht. Für tensiometrische Messungen mit der Wilhelmy-Plattenmethode wird die Platin-Platte aufgeraut, um die Benetzung durch die Probe zu optimieren.

Für den Bereich unter 90° gilt laut Wenzel folgende Beziehung zwischen Rauheit und Kontaktwinkel:
cosθ*=r'cosθ
θ
* = gemessener Kontaktwinkel; θ = Young-Kontaktwinkel; r’ = Rauheitskoeffizient (s.u.)

Benetzbarkeit bei Kontaktwinkeln des glatten Materials von über 90°

Bildet eine Flüssigkeit auf einem glatten Festkörper Kontaktwinkel über 90° aus, ist der Festkörper nicht benetzbar. Auf einer rauen Oberfläche desselben Materials wird der Kontaktwinkel größer. Selbstreinigende, ultrahydrophobe Oberflächen (Lotuseffekt) werden in der Regel erzeugt, indem die schlechte Benetzbarkeit eines Materials mit niedriger freier Oberflächenenergie durch eine raue Oberflächentextur verstärkt wird.

Rauheitsparameter

Über die Benetzbarkeit hinaus werden viele weitere Vorgänge und Materialeigenschaften durch die Rauheit beeinflusst, zum Beispiel die Reibung oder die Strömung durch Rohre. Deshalb ist die Charakterisierung von Oberflächen hinsichtlich ihrer Rauheit von großer technischer Bedeutung. Als Kennzahlen für die Rauheit eines Festkörpers dienen u.a.:

  • Der Rauheitskoeffizient r’, der das Verhältnis der wirklichen Oberfläche zur geometrisch projizierten Oberfläche angibt.
  • die mittlere Rauheit, die den mittleren Abstand der tatsächlichen Oberflächenhöhe von einer virtuellen mittleren Höhenlinie angibt.