نانوپوشش چیست؟

اغلب مواد و محصولات مورد استفاده ی ما نیاز به پوشش دارند؛ چون نباید در طی مراحل تولید، بسته بندی، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ویژگی‌های خود را از دست بدهند. پوشش عبارت است از یک “لایه” با ضخامتی کمتر از ماده ی پایه. پوشش ها دارای کاربردهای متنوعی از صنایع اتومبیل گرفته تا صنایع لوزام خانگی هستند. این پوشش ها سطوحی را که در معرض آسیب های محیطی مانند باران، برف، نمک ها، رسوب های اسیدی، اشعه ماوراء بنفش، نور آفتاب و رطوبت می باشند را محافظت می نماید. از طرفی پوشش ها قابلیت خش برداشتن، تکه تکه شدن و یا آسیب دیدگی در زمان استفاده، ساخت و حمل و نقل را دارند. با یافتن راه هایی می توان از آسیب دیدن روکش ها جلوگیری کرد. فناوری نانو ایجاد نانو پوشش ها را پیشنهاد می کند.

در حقیقت نانوپوشش ها گونه ای از لایه های نازک هستند که یا ابعاد آن ها در حد نانو می باشد، و یا زمینه ای (سُل) دارند که ذرات ریز در ابعاد نانو در آن پراکنده شده اند و خواص ویژه ای را به آن می بخشند.

یکی از مواردی که در حال حاضر فناوری نانو در آن به طور گسترده و مؤثری مورد استفاده قرار گرفته است، فرآیندهای پوشش دهی و به دنبال آن تولید مواد نانوساختار است. بررسی های انجام گرفته بر روی نانوپوشش ها نشان می دهد که خواص آن ها در بسیاری موارد نسبت به پوشش های معمولی بهبود چشمگیری دارد. نانوپوشش ها در مقایسه با پوشش های میکرومتری از ضریب انبساط حرارتی، سختی و چقرمگی بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی، سایش و فرسایش برخوردار هستند.

تاکنون عمده تحقیقات انجام شده بر روی نانوپوشش ها مربوط به پوشش های با سختی بالا و فوق سخت(Super hard) است. پوشش های فوق سخت پوشش هایی هستند که سختی آن ها بیشتر از ۴۰ گیگا پاسکال است.

انواع نانوپوشش ها

چهار گروه مهم از نانوپوشش ها عبارتند از:

۱٫ پوشش های دانه ای (nano grade)

۲٫ پوشش های شبکه ای و چند لایه ای (super lattic)

۳٫ پوشش های لایه نازک (Thin films)

۴٫ پوشش های نانوکامپوزیتی

در ادامه ضمن بررسی خواص هر یک از این پوشش ها به برخی کاربردهای آن ها اشاره می شود.

۱٫ پوشش های دانه ای

برای تولید پوشش های دانه ای از نانوذراتی استفاده می شود که ابعاد آن ها کمتر از ۵۰ نانومتر باشد. با چسباندن نانوذرات روی یک ماده ی زمینه ما پوشش های دانه ای خواهیم داشت. نانوذراتی همچون دی اکسید تیتانیم، اکسید مس، اکسید روی و آلومینا از این دسته اند. به طور مثال از نانوذرات آلومینا با خلوص ۹۹٫۵% و اندازه متوسط ۳۶ نانومتر می توان در پوشش های مقاوم به خراشیدگی، پوشش های نیمه رسانا و پوشش های محافظ در برابر پرتو ماوراء بنفش استفاده کرد. به علاوه می توان ذرات آلومینا را بدون تغییر در ترکیب شیمیایی آن در رنگ های مختلف استفاده کرد. استفاده از پوشش دهی نانومتری موجب می شود که قطعات نیاز به رنگ مجدد نداشته باشند و علاوه بر آن، سبک تر و دارای طول عمر بیشتری باشند. شکل ۱ استفاده از نانوپوشش ها را در رنگ بدنه ی خودرو نشان می دهد.

پوشش بدنه اتومبیل
شکل۱

از نانوذرات آلومینا و تیتانا در پوشش دهی ادوات نظامی نیز استفاده می شود. استفاده از این نانوپوشش ها در ادوات دریایی، هزینه ها و صدمات ناشی از خوردگی را به شدت کاهش می دهد. همچنین با استفاده از نانوذارت اکسید روی، اکسید تیتانیوم و یا اکسید مس می توان لایه های محافظ در برابر پرتو ماوراء بنفش ایجاد نمود. از مزایای این پوشش ها مقاومت بالای آن ها در برابر ترک خوردگی و سایش است، ضمن آن که از شفافیت لازم برخوردار هستند.

با استفاده از الکترودهای نیکلی در خازن های چندلایه می توان در حجم کم، ظرفیت های بالا به دست آورد. تنها مشکل این الکترودها اکسید شدن آن ها در دمای بالا است. با پوشش دهی الکترودهای نیکلی توسط اکسیدهای پایداری نظیر BaTiO3، می توان این الکترودها را از اکسید شدن حفظ نمود. در این میان نکته قابل توجه آن است که این پوشش ها باید ضخامت نانومتری داشته باشند چرا که در غیر این صورت خواص دی الکتریک لایه را تحت تأثیر قرار می دهند. برای رسیدن به این ضخامت، پوشش BaTiO3 به روش سل – ژل بر روی الکترودهای نیکلی رسوب داده می شود.

۲٫ پوشش های شبکه ای و چند لایه ای

این پوشش ها از هزاران لایه و هر لایه با ضخامتی در حدود ۱ تا ۵ نانومتر ساخته می شوند. هر لایه ساختار کریستالی خاصی دارد و از عناصر مختلفی نظیر نیکل، تیتانیم، وانادیم و آلومینیم ساخته می شوند. این پوشش ها بسیار متراکم بوده و چگالی بالایی دارند و به عنوان پوشش های چندلایه با دانسیته بالا نیز شناخته می شوند. استفاده از این نوع پوشش ها روی قطعات صنعتی باعث بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آن ها و همچنین دوام قطعات شده است. از مهمترین پوشش های شبکه ای می توان به پوشش های AlN/ZrN، CrN/AlN و TiN/CrN اشاره کرد.

۳٫ پوشش های لایه نازک

پوشش های لایه نازک از لایه های متناوب با فازهای مختلف تشکیل شده اند. این لایه ها سختی و مدول الاستیک بالا و خواص سایشی خوبی دارند. دلیل افزایش سختی پوشش های نازک چندلایه، قرار گرفتن لایه های خیلی نازک با طول خط نابجایی متفاوت روی هم و در نتیجه نزدیک شدن استحکام به حد تئوری آن است. به دلیل متفاوت بودن طول خط نابجایی ها در هر لایه، نابجایی ها نمی توانند از یک لایه به لایه دیگر حرکت کنند چرا که طول خط نابجایی ها متفاوت است. همچنین لایه ها به قدری نازک هستند که منابع نابجایی به طور مستقل وارد عمل نمی شوند. بنابراین سختی این پوشش ها افزایش چشمگیری می یابد.

روش های مرسوم رسوب پوشش های لایه نازک شامل روش های رسوب فیزیکی بخار، رسوب شیمیایی بخار و رسوب الکتروشیمیایی هستند. روش دیگری که برای پوشش دهی لایه نازک استفاده می شود، روش لایه به لایه نام دارد. این روش بر اساس ایجاد چندلایه روی یک ماده ی زیرلایه استوار است. به طوری که هر دو لایه باردار و دارای بار الکتریکی مخالف هستند. این رسوب دهی به شکل متناوب انجام می شود تا اینکه ضخامت مورد نیاز حاصل گردد. در سال های اخیر این روش توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این نوع پوشش دهی را برای قطعات هوایی و استخوان مصنوعی می توان به کار گرفت.

شمایی از روش تولید لایه نازک را در اینجا ببینید.

۴٫ پوشش های نانوکامپوزیتی

در بین چهار نوع از پوشش های نانوساختار، پوشش های نانوکامپوزیتی بیشترین کاربرد را دارند، زیرا با استفاده از آن ها می توان خواص منحصر به فرد شیمیایی و فیزیکی را بر روی سطح قطعات ایجاد نمود. در این پوشش ها که از دو فاز زمینه و تقویت کننده تشکیل شده اند، فاز نانوکریستالی (تقویت کننده) در فاز آمورف (ماده ی زمینه) جاسازی شده است. فاز آمورف می تواند پوشش های شبه الماسی(Diamond like carbon) ، کربونتیرید یا برخی ترکیبات دیگر با سختی و مدول الاستیک مناسب باشد. به عنوان فاز تقویت کننده و نانوکریستالی نیز از AlN، TiN و Si3N4 می توان استفاده کرد. به عنوان مثال با جاسازی ذرات TiN با اندازه های ۸ تا ۱۱ نانومتر در پایه DLC می توان سختی در حدود ۵۰ تا ۷۰ گیگا پاسکال به دست آورد.

در این دسته از نانوپوشش ها اندازه ی فاز نانوکریستال و نحوه ی توزیع آن به درون فاز آمورف بسیار حائز اهمیت می باشد. هرچه اندازه مواد نانوکریستالی کاهش یابد، تشکیل نابجایی ها به تأخیر افتاده و تغییر شکل پلاستیکی کمتر رخ می دهد. توزیع ذرات نیز بایست به نحوی باشد که فاصله بین دو ذره نانوکریستالی در حدود نانومتر باشد. چنانچه این فاصله زیاد باشد باعث ایجاد ترک و گسترش آن در ماده زیرلایه می گردد. فاصله بیش از حد کم بین این ذرات نیز امکان ایجاد واکنش بین صفحات اتمی دانه های نانوکریستال را به وجود می آورد. لذا در طراحی و ساخت این پوشش های نانوکامپوزیتی، اندازه، درصد حجمی و توزیع این ذرات فاکتورهای مهمی هستند و تغییر هر یک از این موارد روی چقرمگی و سختی پوشش تأثیر خواهد گذاشت.روش های مختلفی برای پوشش دهی نانوکامپوزیت ها وجود دارد اما اغلب از روش کندوپاش مغناطیسی

(Magnetrun sputtering) ، پاشش حرارتی و رسوب شیمیایی بخار استفاده می شود.

سرعت رسوب دهی بالا و یکنواختی پوشش ایجاد شده در رسوب شیمیایی بخار از مزیت های این روش است. برای ایجاد این نوع پوشش ها اغلب از روش پاشش حرارتی و کندوپاش استفاده می شود، زیرا این روش ها در دماهای پایین قابل اجرا هستند. ضمن آن که بافت و اندازه دانه ها به وسیله این روش ها قابل کنترل است.

به وسیله روش پاشش حرارتی، می توان پوشش های سرامیکی تک فاز و پوشش های کامپوزیتی با زمینه سرامیکی را بر روی قطعات رسوب داد. یکی از این پوشش ها، پوشش مرکب Al2O3/13TiO2 است که در حال حاضر روی بدنه کشتی ها و زیر دریایی ها با این روش رسوب داده می شود. همان گونه که در شکل ۲ مشاهده می کنید، در این روش یک گاز خنثی با دمای بسیار بالا، سبب ِ پاشش ِ ماده ی نانوساختار روی سطح مورد نظر می شود. و پس از سرد شدن ذرات پاشیده شده، پوشش های لایه ای روی سطح ایجاد می گردد.

نمایی از فرآیند پاشش حرارتی
شکل۲
منبع : تبیان

کارآفرینان عزیز ، برای راه اندازی کسب و  کار خود از ما مشاوره رایگان بگیرید.

برای اطلاعات بیشتر با تلفن های : ۰۲۱۷۷۴۹۲۳۹۷ و ۰۹۳۸۸۱۵۱۳۵۸ تماس بگیرید.