نانوپوشش ها

اغلب مواد و محصولات مورد استفاده ي ما نياز به پوشش دارند؛ چون نبايد در طي مراحل توليد، بسته بندي، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ويژگي‌هاي خود را از دست بدهند. پوشش عبارت است از يک "لايه" با ضخامتي کمتر از ماده ي پايه. پوشش ها داراي کاربردهاي متنوعي از صنايع اتومبيل گرفته تا صنايع لوزام خانگي هستند. اين پوشش ها سطوحي را که در معرض آسيب هاي محيطي مانند باران، برف، نمک ها، رسوب هاي اسيدي، اشعه ماوراء بنفش، نور آفتاب و رطوبت مي باشند را محافظت مي نمايد. از طرفي پوشش ها قابليت خش برداشتن، تکه تکه شدن و يا آسيب ديدگي در زمان استفاده، ساخت و حمل و نقل را دارند. با يافتن راه هايي مي توان از آسيب ديدن روکش ها جلوگيري کرد. فناوري نانو ايجاد نانو پوشش ها را پيشنهاد مي کند.

در حقيقت نانوپوشش ها گونه اي از لايه هاي نازک هستند که يا ابعاد آن ها در حد نانو مي باشد، و يا زمينه اي (سُل) دارند که ذرات ريز در ابعاد نانو در آن پراکنده شده اند و خواص ويژه اي را به آن مي بخشند.

يکي از مواردي که در حال حاضر فناوري نانو در آن به طور گسترده و مؤثري مورد استفاده قرار گرفته است، فرآيندهاي پوشش دهي و به دنبال آن توليد مواد نانوساختار است. بررسي هاي انجام گرفته بر روي نانوپوشش ها نشان مي دهد که خواص آن ها در بسياري موارد نسبت به پوشش هاي معمولي بهبود چشمگيري دارد. نانوپوشش ها در مقايسه با پوشش هاي ميکرومتري از ضريب انبساط حرارتي، سختي و چقرمگي بالاتر و مقاومت بيشتر در برابر خوردگي، سايش و فرسايش برخوردار هستند.

تاکنون عمده تحقيقات انجام شده بر روي نانوپوشش ها مربوط به پوشش هاي با سختي بالا و فوق سخت(Super hard) است. پوشش هاي فوق سخت پوشش هايي هستند که سختي آن ها بيشتر از 40 گيگا پاسکال است.

انواع نانوپوشش ها

چهار گروه مهم از نانوپوشش ها عبارتند از:

1. پوشش هاي دانه اي (nano grade)

2. پوشش هاي شبکه اي و چند لايه اي (super lattic)

3. پوشش هاي لايه نازک (Thin films)

4. پوشش هاي نانوکامپوزيتي

در ادامه ضمن بررسي خواص هر يک از اين پوشش ها به برخي کاربردهاي آن ها اشاره مي شود. 

1. پوشش هاي دانه اي

براي توليد پوشش هاي دانه اي از نانوذراتي استفاده مي شود که ابعاد آن ها کمتر از 50 نانومتر باشد. با چسباندن نانوذرات روي يک ماده ي زمينه ما پوشش هاي دانه اي خواهيم داشت. نانوذراتي همچون دي اکسيد تيتانيم، اکسيد مس، اکسيد روي و آلومينا از اين دسته اند. به طور مثال از نانوذرات آلومينا با خلوص 99.5% و اندازه متوسط 36 نانومتر مي توان در پوشش هاي مقاوم به خراشيدگي، پوشش هاي نيمه رسانا و پوشش هاي محافظ در برابر پرتو ماوراء بنفش استفاده کرد. به علاوه مي توان ذرات آلومينا را بدون تغيير در ترکيب شيميايي آن در رنگ هاي مختلف استفاده کرد. استفاده از پوشش دهي نانومتري موجب مي شود که قطعات نياز به رنگ مجدد نداشته باشند و علاوه بر آن، سبک تر و داراي طول عمر بيشتري باشند. شکل 1 استفاده از نانوپوشش ها را در رنگ بدنه ي خودرو نشان مي دهد.

از نانوذرات آلومينا و تيتانا در پوشش دهي ادوات نظامي نيز استفاده مي شود. استفاده از اين نانوپوشش ها در ادوات دريايي، هزينه ها و صدمات ناشي از خوردگي را به شدت کاهش مي دهد. همچنين با استفاده از نانوذارت اکسيد روي، اکسيد تيتانيوم و يا اکسيد مس مي توان لايه هاي محافظ در برابر پرتو ماوراء بنفش ايجاد نمود. از مزاياي اين پوشش ها مقاومت بالاي آن ها در برابر ترک خوردگي و سايش است، ضمن آن که از شفافيت لازم برخوردار هستند.

با استفاده از الکترودهاي نيکلي در خازن هاي چندلايه مي توان در حجم کم، ظرفيت هاي بالا به دست آورد. تنها مشکل اين الکترودها اکسيد شدن آن ها در دماي بالا است. با پوشش دهي الکترودهاي نيکلي توسط اکسيدهاي پايداري نظير BaTiO3، مي توان اين الکترودها را از اکسيد شدن حفظ نمود. در اين ميان نکته قابل توجه آن است که اين پوشش ها بايد ضخامت نانومتري داشته باشند چرا که در غير اين صورت خواص دي الکتريک لايه را تحت تأثير قرار مي دهند. براي رسيدن به اين ضخامت، پوشش BaTiO3 به روش سل – ژل بر روي الکترودهاي نيکلي رسوب داده مي شود.

2. پوشش هاي شبکه اي و چند لايه اي

اين پوشش ها از هزاران لايه و هر لايه با ضخامتي در حدود 1 تا 5 نانومتر ساخته مي شوند. هر لايه ساختار کريستالي خاصي دارد و از عناصر مختلفي نظير نيکل، تيتانيم، واناديم و آلومينيم ساخته مي شوند. اين پوشش ها بسيار متراکم بوده و چگالي بالايي دارند و به عنوان پوشش هاي چندلايه با دانسيته بالا نيز شناخته مي شوند. استفاده از اين نوع پوشش ها روي قطعات صنعتي باعث بهبود خواص فيزيکي و شيميايي آن ها و همچنين دوام قطعات شده است. از مهمترين پوشش هاي شبکه اي مي توان به پوشش هاي AlN/ZrN، CrN/AlN و TiN/CrN اشاره کرد.

3. پوشش هاي لايه نازک

پوشش هاي لايه نازک از لايه هاي متناوب با فازهاي مختلف تشکيل شده اند. اين لايه ها سختي و مدول الاستيک بالا و خواص سايشي خوبي دارند. دليل افزايش سختي پوشش هاي نازک چندلايه، قرار گرفتن لايه هاي خيلي نازک با طول خط نابجايي متفاوت روي هم و در نتيجه نزديک شدن استحکام به حد تئوري آن است. به دليل متفاوت بودن طول خط نابجايي ها در هر لايه، نابجايي ها نمي توانند از يک لايه به لايه ديگر حرکت کنند چرا که طول خط نابجايي ها متفاوت است. همچنين لايه ها به قدري نازک هستند که منابع نابجايي به طور مستقل وارد عمل نمي شوند. بنابراين سختي اين پوشش ها افزايش چشمگيري مي يابد.

روش هاي مرسوم رسوب پوشش هاي لايه نازک شامل روش هاي رسوب فيزيکي بخار، رسوب شيميايي بخار و رسوب الکتروشيميايي هستند. روش ديگري که براي پوشش دهي لايه نازک استفاده مي شود، روش لايه به لايه نام دارد. اين روش بر اساس ايجاد چندلايه روي يک ماده ي زيرلايه استوار است. به طوري که هر دو لايه باردار و داراي بار الکتريکي مخالف هستند. اين رسوب دهي به شکل متناوب انجام مي شود تا اينکه ضخامت مورد نياز حاصل گردد. در سال هاي اخير اين روش توجه زيادي را به خود جلب کرده است. اين نوع پوشش دهي را براي قطعات هوايي و استخوان مصنوعي مي توان به کار گرفت.

شمايي از روش توليد لايه نازک را در ببينيد.

4. پوشش هاي نانوکامپوزيتي

در بين چهار نوع از پوشش هاي نانوساختار، پوشش هاي نانوکامپوزيتي بيشترين کاربرد را دارند، زيرا با استفاده از آن ها مي توان خواص منحصر به فرد شيميايي و فيزيکي را بر روي سطح قطعات ايجاد نمود. در اين پوشش ها که از دو فاز زمينه و تقويت کننده تشکيل شده اند، فاز نانوکريستالي (تقويت کننده) در فاز آمورف (ماده ي زمينه) جاسازي شده است. فاز آمورف مي تواند پوشش هاي شبه الماسي(Diamond like carbon) ، کربونتيريد يا برخي ترکيبات ديگر با سختي و مدول الاستيک مناسب باشد. به عنوان فاز تقويت کننده و نانوکريستالي نيز از AlN، TiN و Si3N4 مي توان استفاده کرد. به عنوان مثال با جاسازي ذرات TiN با اندازه هاي 8 تا 11 نانومتر در پايه DLC مي توان سختي در حدود 50 تا 70 گيگا پاسکال به دست آورد.

در اين دسته از نانوپوشش ها اندازه ي فاز نانوکريستال و نحوه ي توزيع آن به درون فاز آمورف بسيار حائز اهميت مي باشد. هرچه اندازه مواد نانوکريستالي کاهش يابد، تشکيل نابجايي ها به تأخير افتاده و تغيير شکل پلاستيکي کمتر رخ مي دهد. توزيع ذرات نيز بايست به نحوي باشد که فاصله بين دو ذره نانوکريستالي در حدود نانومتر باشد. چنانچه اين فاصله زياد باشد باعث ايجاد ترک و گسترش آن در ماده زيرلايه مي گردد. فاصله بيش از حد کم بين اين ذرات نيز امکان ايجاد واکنش بين صفحات اتمي دانه هاي نانوکريستال را به وجود مي آورد. لذا در طراحي و ساخت اين پوشش هاي نانوکامپوزيتي، اندازه، درصد حجمي و توزيع اين ذرات فاکتورهاي مهمي هستند و تغيير هر يک از اين موارد روي چقرمگي و سختي پوشش تأثير خواهد گذاشت.روش هاي مختلفي براي پوشش دهي نانوکامپوزيت ها وجود دارد اما اغلب از روش کندوپاش مغناطيسي

(Magnetrun sputtering) ، پاشش حرارتي و رسوب شيميايي بخار استفاده مي شود.

سرعت رسوب دهي بالا و يکنواختي پوشش ايجاد شده در رسوب شيميايي بخار از مزيت هاي اين روش است. براي ايجاد اين نوع پوشش ها اغلب از روش پاشش حرارتي و کندوپاش استفاده مي شود، زيرا اين روش ها در دماهاي پايين قابل اجرا هستند. ضمن آن که بافت و اندازه دانه ها به وسيله اين روش ها قابل کنترل است.

به وسيله روش پاشش حرارتي، مي توان پوشش هاي سراميکي تک فاز و پوشش هاي کامپوزيتي با زمينه سراميکي را بر روي قطعات رسوب داد. يکي از اين پوشش ها، پوشش مرکب Al2O3/13TiO2 است که در حال حاضر روي بدنه کشتي ها و زير دريايي ها با اين روش رسوب داده مي شود. همان گونه که در شکل 2 مشاهده مي کنيد، در اين روش يک گاز خنثي با دماي بسيار بالا، سبب ِ پاشش ِ ماده ي نانوساختار روي سطح مورد نظر مي شود. و پس از سرد شدن ذرات پاشيده شده، پوشش هاي لايه اي روي سطح ايجاد مي گردد.