پوشش دهي سطح فلزات به دو روش Sol Gel و كاشت يون با پلاسما

چكيده: 
جهت پوشش دهي سطح فلزات روش هاي مختلفي همچون رسوب دهي شيميايي بخار (CVD) و لايه نشاني الكتروليتي كاتد و ... استفاده مي شود كه 2 روش Sol gel و كاشت يون با پلاسما نيز روش هايي جهت پوشش مي باشند. فرآيند Sol gel شامل يكسري واكنش هاي شيميايي تغييرناپذير است كه در حقيقت اين واكنش ها باعث تبديل مولكول هاي محلول هموژن اوليه به عنوان سل به يك مولكول نامحدود سنگين سه بعدي پليمري به عنوان ژل مي شوند و در روش پلاسما اسپري گاز تشكيل دهنده پلاسما كه در مرحله شروع قوس آرگن يا هليم است و پس از برقراري قوس پايدار به تركيبي از آرگن يا هليم يا هيدروژن يا نيتروژن تبديل مي شود از بين كاتد و آند عبور كرده و بر اثر تخليه الكتريكي اين ناحيه يونيزه مي گردد. مقدار انرژي صرف شده براي يونيزه كردن گاز، در ناحيه اي در خارج گذرگاه مابين كاتد و آند آزاد شده و به گرما تبديل مي گردد و بدين ترتيب دمايي در حدود 15000 درجه سانتيگراد حاصل خواهد شد و مولكول هاي منبسط شده گاز با سرعتي نزديك به صوت ذرات ماده پوشش به صورت پودر را كه ذوب شده اند، به سمت سطح قطعه خواهند راند و بدين ترتيب پوششي متراكم با چسبندگي بالا حاصل خواهد شد. 

مقدمه 
روش هاي مختلف پوشش دهي 
1- روش پاشش حرارتي 
در اين حالت از پودر براي توليد پوشش استفاده مي‌شود. به اين صورت كه پودر را با قدرت به سمت قطعه مورد نظر مي‌پاشيم و در مسير پاشش، پرتوليزر را قرار مي‌دهيم. پرتو ليزر با سرعت و قدرت زياد محيط را گرم مي‌كند و باعث مي‌شود پودر در مسير به صورت مذاب در آيد وقتي پودر با سطح تماس پيدا مي‌كند، به علت اختلاف دما پس از برخورد سريعاً سرد مي شود و پوشش نانو ساختار را شكل مي‌دهد.  
شماتيکي از روش پاشش حرارتي  

2- روش رسوب دهي شيميايي بخار ((CVD 
فرآيند CVD در فازگازي انجام مي‌شود. يعني مواد واكنش زا گاز هستند و فرآيندهاي شيميايي بين گازها صورت مي‌گيرد.  
اين روش لايه نشاني ممكن است از طريق چند نوع واكنش شيميايي انجام شود: 1)پيروليز كه در آن از دماي زياد براي تجزية ماده استفاده مي‌شود؛ 2) فوتوليز كه در آن از نور فرابنفش يا فروسرخ براي تجزيه تركيب‌هاي گازي استفاده مي شود.  
CVD  شماتيکي از روش  

 
3- لايه نشاني الكتروليتي كاتد  
اكسايش كاتد عموماً در تهيه لايه‌هاي اكسيدهاي فلزهاي معيني مثل آلومينيوم به كار مي‌رود. قطعه اي كه مي‌خواهد پوشش داده شود، به قطب كاتد وصل مي‌شود و در محلول الكتروليت قرار مي‌گيرد. در اين حالت اكسيژن هاي موجود در الكتروليت را جذب مي‌كند. يون ها از ميان لايه اي كه اكسيده شده است به وسيله يك ميدان الكتريكي تقويت و با اتم هاي قطعه فلزي تركيب مي‌شود و مولكول هاي اكسيد را روي سطح تشكيل مي‌دهد. معمولاً از نمك هاي مذاب مختلف، يا در برخي موارد از اسيدها، به عنوان الكتروليت استفاده مي شود. از نكاتي كه بايد مورد توجه قرار گيرد، ماده الكتروليت است. بعضي از الكتروليت ها فوراً اكسيد تشكيل شده را در خود حل مي‌كنند و در لايه ايجاد شده تخلخل ايجاد مي‌نمايند.  

4- روش نيتروراسيون 
اتم نيتروژن كوچك است و به همين علت به راحتي مي تواند به درون سطح اكثر مواد نفوذ كند. حال اگر اتم نيتروژن بتواند چند نانومتر داخل سطح نفوذ كند، يك نانو پوشش توليد كرده است. تركيب نيتروژن با موادي مانند فولاد، يك ماده سخت توليد مي‌كند.  
 
5- روش رسوب دهي فيزيكي بخار 

روش سل- ژل 
lدر اين روش در واقع از اصل محلولسازي و رسوب دهي جامدات در مايعات با استفاده از تغيير پارامترهايي مثل دما استفاده مي‌كنيم و محصولاتي مثل پوشش و پودر را به دست مي‌آوريم. براي اينكار، ابتدا از ماده اي كه مي‌خواهيم پوشش دهيم يك محلول تهيه مي كنيم و بعد با حرارت دادن اين محلول آن را تبديل به يك ماده ژلاتيني مي نماييم. با ادامه حرارت دادن، مواد معلق در محلول را روي ماده پذيرنده پوشش رسوب مي دهيم. حال اين رسوب مي‌تواند به صورت يك لايه پيوسته باشد كه در آن صورت يك لايه نانومتري تشكيل مي‌شود. يا اگر ضخامت اين لايه از 100 نانومتر بيشتر باشد، به علت اينكه از ذرات نانومتري تشكيل شده است، يك لاية نانو ساختار است. اما بايد دقت كرد كه دما و سرعت حرارت دهي و … ممكن است باعث شود كه به جاي يك لايه پيوسته، مجموعه اي از ذرات تشكيل دهنده لايه به صورت پودر تشكيل شوند. البته بايد يادآور شد كه پوشش هايي كه از اين روش توليد مي شوند داراي تخلخل هايي هستند كه خواص آنها را ضعيف مي‌كند.  

lفرآيند سل- ژل شامل يك سري واكنشهاي شيميايي تغيير ناپذير است كه در حقيقت اين واكنشها باعث تبديل مولكولهاي محلول هموژن اوليه به عنوان سل به يك مولكول نامحدود سنگين سه بعدي پليمري به عنوان ژل مي‌شوند، در حقيقت جامد الاستيك به وجودآمده باعث پرشدن حجم محلول موجود مي‌شود. بطور نمونه مي‌توان واكنش هيدروليزي كه در پي آن به وسيله پليمر
يزاسيون يك انقباض
 
رخ داده و محصول نهايي بدست آمده را در نظر گرفت براي مثال :
  
tetraethylorthosilicate (Si(OC 2 H 5 )+ethanol(C 2 H 5 OH)→Sio 2 +other products   
 
lدر فرآيند سل- ژل انتقال سل به حالت ژل اغلب به وسيله تغيير 
PH
 
و يا تغيير غلظت محلول به دست مي‌آيد منفعت
 
و استفاده اصلي فرآيند سل ژل در توليد محصولي با خلوص بالا و دست يافتن به نانو ساختاري يكنواخت در دماي پايين است
 
 
اغلب روش سل ژل جهت سنتز   نانو اكسيد‌هاي فلزي كاربرد

انواع ژلها :‌ 
1- هيدروژل : ژلها را عموماً در محيط آبي تهيه مي‌كنند، اصطلاح هيدروژل به ژلي اطلاق مي‌شود كه حفرات آن توسط آب پر شده اند البته گاهي اوقات به آن Equagel نيز گفته مي‌شود. 
2- الكوژل : ژلي كه حفرات آن توسط الكل پر شده باشد ژلهائي كه از خشك كردن الكوژل بدست مي آيند داراي حفرات بيشتر و ساختار ژلي آبي تقريباً حفظ مي‌شود و شكستگي كمتري در ساختار در هنگام خشك كردن اتفاق مي‌افتد. 
3- گزروژل : به ژلي گفته مي‌شود كه تمام مايع داخل حفرات ژل خارج شده باشد به گونه‌اي كه ساختار كمي متراكم تر و فشرده تر شده باشد. و چروكيدگي نسبت به وضعيت هيدروژل در آن  مشهود است. در ضمن سطح ويژه آن كاهش يافته است.  

4- آئروژل : در واقع نوعي ژل خشك است. بدين ترتيب كه محلول داخل ژل خارج شده است به گونه اي كه هيچ فشردگي يا تغييري در ساختار ژل ايجاد نشده است. اين نوع ژل عموماً بدين صورت تهيه مي‌شود كه ژل را تا دماي بحراني حلال حرارت مي دهند. بنابراين هيچ تعادلي بين مايع و بخار وجود ندارد. و ژل با سطح ويژه بالا با حفظ ساختار در حالت هيدروژل بدست مي‌آيد. شكل زير بيانگر حالات مختلف ژل است. 
 

انواع مختلف ژل سيلسي 
a) هيدروژل b) گزروژل c) آئروژل d) گزروژل با دانسيته متوسط 

انواع فرآيند سل ژل عبارتند از :  
 
1- فرآيند در مسير الكوكسيدي 
2- فرآيند در مسير كلوئيدي 

lاز دو مسير ذكر شده در فرايند سل- ژل امروزه مسير الكوكسيد بيشتر مورد توجه قرارگرفته است و اكثر كارهاي انجام شده در اين زمينه با استفاده از الكو كسيدها به عنوان پيش
 

 

lبراي ايجاد لايه هاي پوششي با استفاده از روش Sol- Gel بايد نمونه هاي مورد نظر را در موقعيت خاص قبل از ژلاتين شدن محلول با سرعت مناسب به درون آن وارد و سپس با ملايمت خارج كرد.  



مزايا و معايب روش  سل- ژل 
مزايا :  
1- سنتز در دماي پائين 
2- تهيه محصولاتي با خلوص بالا 
3- تهيه موادي با تركيبات جديد 
4- سنتز تركيبات يكنواخت به صورت اكسيدهاي كامپوزيت ها 
5- تهيه فيبر، تهيه پوشش سطوح 
6- راندمان توليد 
7) امكان استفاده از فرايند براي سنتز مواد در حالت بي شكل و به كارگيري آنها جهت لايه‌هاي نازك  
8- واكنش پذيري شيميايي بالا. 
9- كنترل آسان پارامترهاي موثر 

معايب :  
1- قيمت زياد مواد اوليه 
2- زمان طولاني پروسه 
3- احتمال باقيماندن آب يا مواد آلي 
4- تشكيل ترك در حين خشك كردن و گرم نمودن  

lمهمترين مزيت اين روش تهيه مواد در دماي پايين است وقتي كه هدف تهيه تركيبات آلي- غير آلي يا ژل هاي متخلخل باشد. سنتز در دماهاي نزديك دماي اتاق انجام مي‌شود اگر ماكزيمم دماي گرم كردن پائين باشد مي‌تواند باعث افزايش خلوص محصول گردد اين افزايش ناشي از گرم كردن بدون آلودگي و احتمالاً تركيب با ديگر مواد امكانپذير مي‌گردد. از مزاياي ديگر اين روش امكان زينتر مواد مختلف دردماهاي پائين تر مي‌باشد. يكنواختي در تركيب از مزيت هاي ديگر محصولات توليد شده به وسيله روش  سل- ژل است زيرا مواد اوليه درمقياس مولكولي و به صورت محلول با يكديگر مخلوط مي‌شوند. مزيت ديگر حاكي از آن است كه با روش  سل- ژل امكان تهيه فيبرها و پوشش‌ها در سطح وسيعي از مواد جامد فراهم مي‌شود كه توليد آنها از طريق ديگر ممكن نيست. از مزاياي ديگر اين فرآيند امكان سنتز مواد متخلخل است.  

پلاسما اسپري :  
lدر روش پلاسما اسپري گاز تشكيل دهنده پلاسما كه درمرحله شروع قوس آرگن با هليم است و پس از برقراري قوس پايدار به تركيبي ازآرگن يا هليم با هيدروژن  يا نيتروژن تبديل مي‌شود از بين كاتد و آند عبور كرده و بر اثر تخليه الكتريكي اين ناحيه يونيزه مي‌گردد. مقدار انرژي صرف شده براي يونيزه كردن گاز، در ناحيه‌اي در خارج گذرگاه مابين كاتد و آند آزاد شده و به گرما تبديل مي‌گردد و بدين ترتيب دمايي در حدود 15000 درجه سانتيگراد حاصل خواهد شد و مولكولهاي منبسط شده گاز با سرعتي نزديك به صوت ذرات ماده پوشش بصورت پودر را كه ذوب شده اند، به سمت سطح قطعه خواهند راند و بدين ترتيب پوششي متراكم با چسبندگي بالا حاصل خواهد شد. 

lپوشش هاي پلاسما

.
 
lاين پوشش‌ها در صنايع مختلف از جمله صنايع نفت، نساجي، فولاد، نيروگاهي، شيميايي و … كاربرد فراوان دارند. بعنوان نمونه مي‌توان موارد زير را ذكر كرد :  
1- كاربيد  تنگستن و كاربيد كروم : مقاوم در برابر سايش 
2- اكسيد آلومينيوم : مقاوم در برابر دماي بالا و سايش 
3- اكسيد زيركنيوم : پوشش سپر حرارتي 
4- آلياژ‌هاي پايه نيكل : مقاوم دربرابر خوردگي 
5- اكسيد كروم : مقاوم در برابر سايش  

نيتروژن د
ه
ي پلاسمايي توري فعال 
 
lبا وجود تمام مزايايي كه روش نيتروژن دهي پلاسمايي متداول ((CPN نسبت به روش هاي سنتي دارد با اين حال مشكلاتي در طي انجام فرايند ديده مي‌شود از قبيل؛ نگهداري و حفظ يكنواخت و ثابت دماي قطعات، محدوديت انجام عمليات بر روي قطعات با اشكال پيچيده، ايجاد لايه غير يكنواخت در سطح قطعه، خطر آسيب قوس و پديده كاتد توخالي، لذا تلاش‌هايي كه به منظور حل معايب اين روش صورت گرفته، منجر به توسعه روش نيتروژن دهي پلاسمايي متداول و ابداع روش ASPN يا TC شده است. اساس روش اخير استفاده از توري فعال مي‌باشد به نحوي كه در اين روش پلاسما روي سطح قطعه كار تشكيل نمي‌شود بلكه روي سطح توري تشكيل مي‌گردد. روش كار عمليات ASPN همانند روش نيتروژن دهي پلاسمايي متداول است، با اين تفاوت كه در روش نيتروژن دهي پلاسمايي به روش توري فعال، با قرارگيري توري در پتانسيل كاتدي وظيفه توليد اجزاي فعال نيتريدي و همچنين گرم كردن نونه ها به عهده توري مي‌باشد. پلاسماي تشكيل شده روي توري( نه روي نمونه ها) توري را گرم مي‌كند و تشعشعي كه از توري منتشر مي‌شود، سبب گرم شدن نمونه ها جهت انجام عمليات مي‌گردد.  

نتايج 
lبراي ايجاد لايه هاي پوششي با استفاده از روش Sol- Gel بايد نمونه هاي مورد نظر را در موقعيت خاص قبل از ژلاتين شدن محلول با سرعت مناسب به درون آن وارد و سپس با ملايمت خارج كرد. lاز دو مسير ذكر شده در فرايند سل- ژل (مسير الكوكسيدي و كلوئيدي) امروزه مسير الكوكسيد بيشتر مورد توجه قرارگرفته است زيرا الكوكسيد منبع مناسبي براي مونومرهاي معدني هستند و همچنين در مسير الكوكسيد، بوسيله روشهاي شيميائي مثلاً با كنترل سرعت واكنش ئيدروليز و تراكم بيشتر مي‌توان سرعت واكنشهاي كلي را كنترل كرد. علاوه بر آن مسير الكوكسيد امكان تهيه محصولات با درجه خلوص و همگني بالا در دماي پائين تر را ميسر مي‌سازد. 
lروش نيتروژن دهي توري پلاسمايي فعال ( ASPN) در واقع همان روش متداول ( CPN) توسعه يافته است كه به منظور حل معايب CPN‌از قبيل؛ نگه داري و حفظ يكنواخت و محدوديت انجام عمليات بر روي قطعات با اشكال پيچيده، خطر آسيب قوس و ... ابداع شده است. 

lنيتروژن دهي پلاسمايي يكي از روشهاي نوين بهبود خواص سطحي بسياري از قطعات صنعتي از جمله محورها، چرخ دنده ها، قالب ها و ... مي باشد. lبه دليل وجود پديده انقباض در فرآيند سل- ژل اغلب بايد در طول فرآيند خشك كردن نكات لازم براي جلوگيري از به وجود آمدن ترك را رعايت نمود.
ج.نعیمیان- ح.برات زاده- ا.کارگری اریان 
- ص.محمودیان