نانو مواد و فرآیندهای پوشش دهی

نانومواد و فرآیندهای پوشش دهی

به طور کلی به دسته‌ای از مواد که دارای ویژگی‌های زیر باشد نانو‌مواد می‌گویند:

الف) یکی از اجزای آن(ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر باشد.

ب) نســبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصر به فردی باشــد. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی، زیست سازگاری، کاهش ضریب اصطکاک و…

نانو پوشش‌ها به سه دسته ­ی اصلی نانوذرات چسبانده شده روی زیر لایه، روکش­های بلوری با ساختار نانومتری و لایه ­های نازک تقسیم می‌شوند. در دسته­ ی اول با استفاده ازعوامل چسباننده، نانوذرات در کنار هم چسبیده می­شوند و پوششی ایجاد خواهد شد که خواص مشابه خواص نانوذرات دارد. در دسته ی دوم چیدمان اتم ­های مواد درون دانه­ ها به شکل بلوری و منظم و در جهت­ هایی خاص کنار هم قرار گرفته ­اند. در دسته­ ی سوم نیز پوشش ضخامت بسیار کمی در محدوده­ ی 1 تا 100 نانومتر دارد.

پوشش­ های نانو می­توانند دارای لایه­ ی سطحی آب­گریز(دفع آب) و اولئوفوبیک(دفع روغن) باشد. این پوشش­ ها دوست­دار محیط زیست، مقاوم ­به خوردگی یا اکسیداسیون، مقاوم در برابر اشعه­ی ماوراء بنفش و درجه حرارت بالا هستند. همچنین، نانو پوشش­ ها بسیار سخت هستند. علت سختی این پوشش­ ها را باتوجه به قانون هال–پچ می­توان اثبات کرد. این رابطه بیــان می­کند رابطه معکوســی بیــن اندازه دانــه(همان ریزســاختار تشکیل دهنده پوشش) و ســختی آن وجود دارد. در نتیجه، اگر ریزســاختار پوشــش به ابعاد نانومتــر(تا 10نانومتر) برسد، حداکثر ســختی به دست می آید.

روش­های اعمال پوشش­ های نانوساختار

اعمال پوشش‌های نانوساختار با روش‌های متفاوتی امکان‌پذیر است. در این روش‌ها از پیش‌ماده‌های فاز مایع (مانند آبکاری)، نیمه مذاب (مانند پلاسما اسپری) و بخار استفاده می­شود. برای نیازهای صنعتی، با توجه به کاربرد و خواص نهایی خواسته شده از قطعات، ابزارها، قالب­ها و غیره از هر یک از روش­های مهندسی سطح استفاده می­شود.

روش­های لایه نشانی نانو پوشش­ ها را می­توان به سه دسته­ ی زیر تقسیم کرد:

الف)حالت مذاب یا نیمه مذاب

لایه نشانی در این حالت شامل روش­ های لیزر و پاشش حرارتی و جوشکاری می­شود.

• پاشش حرارتی:

در این فرآیند برای ایجاد پوشش مورد نظر از پودر استفاده می­شود. به این صورت که پودر با قدرت زیاد به سمت قطعه پاشیده شده و پرتو لیزر در مسیر لیزر قرار داده می­شود که باعث گرم­شدن محیط و ذوب ­شدن پودرها می­شود. با تماس پودر با سطح به دلیل اختلاف دما سریع سرد شده و پوشش با ساختار نانو تشکیل می­شود.

شکل 1- تصویر شماتیکی از فرآیند پاشش حرارتی.

ب)حالت محلول

لایه نشانی در این حالت شامل روش­ های رسوب­دهی محلول شیمیایی، رسوب دهی الکترو­شیمیایی و سل-­­­‌‌ژل می­شود.

• سل- ژل:

در این روش با تهیه­ ی محلول از ماده­ ای که قرار است پوشش داده شود و حرارت­ دادن آن، محلول به یک ماده­ ی ژلاتینی تبدیل می شود. با ادامه­ حرارت دادن، مواد معلق موجود در محلول روی زیرلایه، رسوب داده خواهد شد. در نتیجه یک لایه­ ی پیوسته­ ی نانومتری تشکیل می­شود. لازم به ذکر اسن که در این حالت پوشش دارای تخلخل­ هایی است که برخی خواص آن را تضعیف می­کند.

شکل 2- شماتیکی از فرآیند سل- ژل.

ج)حالت گازی

لایه نشانی در این حالت نیز شامل روش­ های PVD(رسوب­دهی فیزیکی بخار)، CVD(رسوب­دهی شیمیایی بخار) ، IBAD(رسوب­گذاری با بهره­ گیری از پرتو یونی) می­باشد.

• رسوب دهی فیزیکی بخار(PVD):

با افزایش تدریجی دما تعداد ذراتی که از سطح کنده می­شوند، افزایش پیدا کرده و در سطح به مقدار معینی می رسند. در این حالت واکنش­ های شیمیایی در حالت بخار شروع می شوند. پس از آن با سرد شدن بخارها یک لایه ی نازک روی سطح ایجاد می­شود. در این روش درجه خلوص لایه مورد نظر به شدت تابع سیستم تبخیر است.

شکل 3- شماتیکی از دستگاه PVD.