|
نانوپوشش ها چگونه توليد می شوند؟
|
در قسمتهاي پيشين در
مورد پوششها، علل
استفاده از آنها، خواص
پوششها و نانوپوششها
صحبت کرديم. در اين مقاله
ميخواهيم راجع به نحوة
توليد نانوپوششها صحبت
کنيم. در ابتدا بايد
خاطرنشان کرد که روشهاي
تشکيل نانوپوششها بر
اساس همان سه روش تشکيل
پوششهاست که در بخش دوم
ذکر شد. در ادامه،
روشهاي مختلف پوششدهي
مورد بحث قرار ميگيرد.
|
روش پاشش حرارتی
هنگامي که قصد داريد دو قطعة
پلاستيکي را به هم بچسبانيد، چه
کار ميکنيد؟ آسانترين راه (بدون
استفاده از وسايل جانبي مانند
چسب) ذوب کردن يک قطعه و فشردن آن
روي قطعة ديگر است. (شکل 10)
شکل 10 - شماتيکي از روش پاشش
حرارتي
براي توليد پوشش هم ميتوانيم
همين عمل را با کمي تغيير انجام
دهيم. در اين حالت از پودر براي
توليد پوشش استفاده ميشود. به
اين صورت که پودر را با قدرت به
سمت قطعة مورد نظر ميپاشيم و در
مسير پاشش، پرتو ليزر را قرار
ميدهيم. پرتو ليزر با سرعت و
قدرت زياد محيط را گرم ميکند و
باعث ميشود پودر در مسير به صورت
مذاب درآيد. وقتي پودر با سطح
تماس پيدا ميکند، به علت اختلاف
دما، پس از برخورد سريعاً سرد
ميشود و پوشش نانوساختار را شکل
ميدهد. پس ديديم که در توليد
پوشش از اين طريق از سازوکارهاي
دوم و سوم استفاده شد.
روش رسوبدهي شيميايي بخار (CVD)
فرآيند CVD در فاز گازي انجام
ميشود. يعني مواد واکنشزا گاز
هستند و فرايندهاي شيميايي بين
گازها صورت ميگيرد. در شکل زير
گازها از يک دريچه وارد ميشوند و
بعد از رسوب بر روي يک زيرلايه،
به صورت شيميايي واکنش ميدهند
(شکل 11).
CVD شکل 11 - شماتيکي از روش
اين
روش لايهنشاني ممکن است از طريق
چند نوع واکنش شيميايي انجام شود:
1) پيروليز که در آن از دماي زياد
براي تجزية ماده استفاده ميشود؛
2) فوتوليز که در آن از نور
فرابنفش يا فروسرخ براي تجزية
ترکيبهاي گازي استفاده ميشود.
به خاطر دماي بالاي فرآيند، لايه
به سطح ماده نفوذ ميکند و تشکيل
يک لاية نازک آلياژي ميدهد. به
عنوان مثال، مبناي اين روش را
ميتوان به صورت ذيل شرح داد:
مادة مورد نظر با يک گاز يا بخار
مخلوط ميشود تا ترکيب فرّاري
ايجاد شود. اين مادة فرّار به سطح
زيرلايه منتقل و به خاطر گرماي
زياد روي زيرلايه نشانده ميشود و
پس از سرد شدن تشکيل يک لاية جامد
نازک را مي دهد.
اين روش نيز مثل پاشش حرارتي از
هر دو سازوکار شمارههاي 2 و 3
براي پوشاندن سطوح استفاده
ميکند.
لايهنشاني الکتروليتي کاتد
براي توليد پوششهاي مقاوم به
خوردگي، استفاده از اکسيدِ همان
فلز سادهترين نوع پوشش است.
اکسايش کاتد عموماً در تهية
لايههاي اکسيدهاي فلزهاي معيني
مثل آلومينيوم به کار ميرود.
قطعهاي که ميخواهد پوشش داده
شود، به قطب کاتد وصل ميشود و در
محلول الکتروليت قرار ميگيرد. در
اين حالت اکسيژنهاي موجود در
الکتروليت را جذب ميکند. يونها
از ميان لايهاي که اکسيده شده
است به وسيلة يک ميدان الکتريکي
تقويت و با اتمهاي قطعة فلزي
ترکيب ميشود و مولکولهاي اکسيد
را روي سطح تشکيل ميدهد. معمولاً
از نمکهاي مذاب مختلف، يا در
برخي موارد از اسيدها، به عنوان
الکتروليت استفاده ميشود.
از نکاتي که بايد مورد توجه قرار
گيرد، مادة الکتروليت است. بعضي
از الکتروليتها فوراً اکسيد
تشکيلشده را در خود حل ميکنند و
در لاية ايجادشده تخلخل ايجاد
مينمايند. نمونهاي از اين روش،
اکسيده شدن آلومينيوم در
اسيدسولفوريک يا سيترات آمونيوم
است. اين محلولها روي اکسيد هيچ
اثر حلاليتي ندارند. بنابراين، با
رسيدن به يک ضخامت مشخص (با ولتاژ
ثابت) اکسايش متوقف ميشود.
در سطح فلزهايي مانند آلومينيوم،
ضخامت لاية نازک حدود سه چهار
نانومتر است. مشخصاً در اين روش
از سازوکار دوم براي پوشاندن سطوح
استفاده ميشود.
روش نيتروراسيون
ميدانيم که اتم نيتروژن کوچک است
و به همين علت بهراحتي ميتواند
به درون سطح اکثر مواد نفوذ کند.
حال اگر اتم نيتروژن بتواند چند
نانومتر داخل سطح نفوذ کند، يک
نانوپوشش توليد کرده است.
ترکيب نيتروژن با موادي مانند
فولاد، يک مادة سخت توليد ميکند.
فولادهايي که با نيتروژن پوشش
ميشوند، عموماً کربن کمتري
دارند، چون کربن کم باعث نرمي
ميشود. در واقع، هر چه سختي كمتر
شود، نرمي بيشتر ميشود. در عين
حال، اگر کربنِ فولاد زياد باشد،
نيتروژن با کربن ترکيب ميشود و
اين ترکيب براي افزايش سختي مناسب
نيست. پس ديديم که در اين روش نيز
به صورت غيرمستقيم از سازوکار سوم
براي نفوذ اتمها و ايجاد پوشش
استفاده شد.
روش رسوبدهي فيزيکي بخار
واضح است که در اثر گرم کردن ماده
(جامد يا مايع) اتمها يا
مولکولها از روي سطح آزاد
ميشوند. براي آنکه مولکولي
بتواند سطح خود را ترک کند، بايد
مؤلفة عموديِ نيرو که نتيجة حرارت
است بزرگتر از نيروي جاذبة بين
مولکولي باشد. پس با افزايش دما
تعداد ذرههايي که از سطح کنده
ميشوند افزايش مييابد. وقتي
اتمهاي کندهشده از سطح به مقدار
معيني رسيدند، واکنشهاي شيميايي
در حالت بخار صورت ميگيرند. بعد
از آن بخار سرد ميشود و يک لاية
نازک روي سطح ايجاد ميگردد.
در روشهاي رسوبنشاني، به علت
وجود انواع روشهاي تبخير،
روشهاي مختلفي براي پوششدهي
داريم. اما براي اغلب مواد فقط يک
روش تبخير بهينه وجود دارد. تبخير
بهينه به روش تبخير، دماي تبخير و
سرعت تبخير مربوط ميشود و درجة
خلوص لايه نيز وابسته به سيستم
تبخير است.
روشهاي مختلف تبخير عبارتاند
از: گرم کردن مقاومتي مستقيم، گرم
کردن به وسيلة باريکة الکتروني،
روش جرقهاي و... .
در رسوبدهيِ فيزيکي بخار هم از
سازوکارهاي دوم و سوم استفاده شده
است.
روش سل ـ ژل
در اين روش در واقع از اصل
محلولسازي و رسوبدهي جامدات در
مايعات با استفاده از تغيير
پارامترهايي مثل دما استفاده
ميکنيم و محصولاتي مثل پوشش و
پودر را به دست ميآوريم. براي
اين کار، ابتدا از مادهاي که
ميخواهيم پوشش دهيم يک محلول
تهيه ميکنيم و بعد با حرارت دادن
اين محلول آن را تبديل به يک مادة
ژلاتيني مينماييم. با ادامة
حرارت دادن، مواد معلق در محلول
را روي مادة پذيرندة پوشش رسوب
ميدهيم. حال اين رسوب ميتواند
به صورت يک لاية پيوسته باشد که
در آن صورت يک لاية نانومتري
تشکيل ميشود. يا اگر ضخامت اين
لايه از 100 نانومتر بيشتر باشد،
به علت اينکه از ذرات نانومتري
تشکيل شده است، يک لاية
نانوساختار است. اما بايد دقت کرد
که دما و سرعت حرارتدهي و...
ممکن است باعث شود که به جاي يک
لاية پيوسته، مجموعهاي از ذرات
تشکيلدهندة لايه به صورت پودر
تشکيل شوند. البته بايد يادآور شد
که پوششهايي که از اين روش توليد
ميشوند داراي تخلخلهايي هستند
که خواص آنها را ضعيف ميكند.
کاملاً واضح است که در اين روش از
سازوکار سوم استفاده شده است. در
شکل12 نمايي از توليد محصولات به
روش سل ـ ژل را مشاهده ميکنيد.
شکل12- محصولات قابل توليد با
فرايند سل ژل |
