مختصر پیرامون نقشی که سطوح (سطوح میانی) در تکنولوژی سرامیکها ایفا میکنند (یعنی حالت کلوئیدی، تشکیل، هستهزایی فاز جامد و مایع، رشد دانه و پخت سرامیک)، به ترکیبات پوشش سرامیکی برای کاربردهای سایشی، خوردگی و حرارتی پرداخته میشود.
این ترکیبات عمدتاً شامل: اکسیدها؛ نیتریدها؛ کربیدها و بوریدها هستند که توسط تکنیکهای بسیاری؛ شامل: اسپری حرارتی؛ CVD؛ PVD؛ فرآیند سُل/ ژل و روشهای آلی– فلزی رسوب داده میشوند.
در این مقاله، اصلاح سطح و اتمام کار سطح سرامیکها بهطور خلاصه بیان میشوند و چشماندازی از کاربردهای فعلی و روندهای آتی برای تحقیقات داده میشود.
نقش سطوح/ سطوح میانی در پردازش سرامیک
با پیشرفتهای علمی مستمر در تکنولوژی سرامیکها در حوزههای سنّتی و کشف عملکردهای جدید در سرامیکهای موسوم به ”سرامیکهای مدرن“ یا ”High-Tech“ نیاز فزایندهای به اصلاح عمیقتر درک ما از خواص سطوح و سطوح میانی احساس میشود، پیرامون این مسئله که چگونه این سطوح میتوانند برای نیازهای خاصی طراحی و تولید شوند و چگونه میتوان در زمینهی یادگیری رفتار عملی آنها تحت محدودیتهای عملیاتی، سریعتر پیشرفت کرد.
نکات مهم متعددی در رابطه با خواص و فرآیند پردازش سرامیکها وجود دارند که نیازمند آگاهی از نقش سطوح و سطوح میانی بوده و بهشدت وابسته به/ حاکی از تغییرات فیزیکی/ شیمیایی و ساختاری مرزدانههای جامد یا سطوح مشترک مایع/ جامد و گاز/ جامد میباشند.
دانستن این نکات، نه تنها در انجام مراحل مهم در جریان کلاسیک (ورقهای) سرامیکهای پلی کریستالی تحت سلطهی برهم کنشهای سطح، بلکه در کنترل فرآیندهای غیر سنّتی ساخت سرامیک؛ شامل تکنولوژی ساخت روکش؛ اتصال یا تکنولوژی کامپوزیت نیز میتوانند منجر به مزیت بزرگی که ناشی از درک عمیقتر، پیرامون سطح و پدیدههای مرتبط با سطح است، شوند.
مقالههای مربوط به تکنولوژی ساخت سرامیک را میتوان بهعنوان هنر دستکاری سطح از طریق ذرات ساختاری منفرد بیان کرد. دانش تخصصی در زمینه سورفاکتانتها، دیسپرسکنندههای رسوبات برای تشکیل کلویید پایدار، منعقدکنندهها، چسبانندهها، روانکنندهها و فرمدهندهها در طول دهههای اخیر به مقدار زیادی رشد کردهاست تا خواص سطحی سیستمهای سرامیکی؛ مانند: اتصال میان ذرات؛ مرطوبسازی؛ پخششدگی ذرات و سایش که مستقیماً روی خواص تودههای سبز و جریان و تغییر شکل ماده تأثیر میگذارند؛ چه از طریق پرس خشک یا تشکیل پلاستیک ساخته شده باشند و چه از طریق ریختهگری؛ با امکان تولید مجدد تغییر کنند.
یافتههای حاصل از تحقیق و تجربه، مدت زمانی طولانی، استفاده از روکشهای کلوییدی را برای کنترل یکنواختی و همگنی میکروساختاری و ساخت سرامیکهای رسی با هندسههای پیچیده که بهآسانی توسط سایر روشهای ساخت قابل پردازش نیستند؛ مدنظر قرار دادهاند.
اخیراً در حوزهی تولید سرامیکهای مدرن، توجهات مجدداً به دیسپرس کلوییدی و فنون تثبیت بازگشته و استفاده از این روشها عمدتاً بهخاطر حذف ناهمگنیهایی است که بهطور ناخواسته وارد تودهی متراکم پودر سبز شده و عمدتاً بهعنوان نقیصهی سرامیکهای خارجشده از سری کار در آنها باقی میمانند.
دیسپرسشدن در یک سوسپانسیون کلوییدی چه از طریق روش الکترواستاتیک باشد و چه از طریق دافعهی فضایی، یک مسئلهی کلیدی در فرآیند کار با پودرهای زیرمیکرونی کلوخهشونده و تمایل آنها به تشکیل غیر قابل کنترل خوشهها (کلوخهشدن یا به بیانی تودهای، متراکم و سپس سختشدن رسوب) میباشد.
کلوخههای ضعیف، زیانآور نیستند؛ زیرا بهآسانی قابل حذف هستند، درحالیکه کلوخههای سخت، در طی مراحل بعدی باقی میمانند و ممکن است عامل نقیصههای ساختاری مهمی در تودهی پختهشده باشند.
دیاگرامهای فاز مناسب] 1[ برای سیستمهای ساده میتوانند رسم شوند (شکل1) که میتوانند به درک درست ما از دیسپرسشدن/ تثبیتشدن سیستمهای کلوییدی کمک کنند.
شکل (1) نمودار فاز برای یک سیستم کلوییدی تکجزیی از ذرات کروی تکسایز. سه فاز مشخص شدهاند: سیستم شبیه به گاز (دیسپرسشده)، سیستم شبیه به مایع (فاقد توده) و سیستم شبیه به جامد (کریستال کلوییدی). در نقطهی Lc اولین مرتبهی انتقال به حالت شبیه به جامد با هستهزایی و رشد خوشههای ذرات رخ میدهد. در بالای CR ورقههایی با ویسکوزیتهی پایین و حجم بالای ذرات جامد میتواند ایجاد شود. در زیر نقطهی Lc کلوخههای سخت میتوانند با سهولت بیشتری با حفرات بزرگتر که بهسختی بسته میشوند، تشکیل شوند.
اکنون تبدیل یک جریان کلوییدی به حالت جامد را، بهعنوان یک فرآیند هستهزایی و رشد خوشههای ذرات که مشابه با هستهزایی و رشد در سیستمهای اتمی میباشد، میتوان مدلسازی کرد. خوشهها زمانی تشکیل میشوند که هم انرژی پیوندی بین ذرات (E) و هم دانسیتهی سوسپانسیون (ρ) از مقدار بحرانی بیشتر شود.
گروهبندیهای متعددی از خوشههای ذرات، ناشی از تولید اولیهی حفرات (تولید ذرات داخلی بین سایر ذرات) و تولید ثانویهی حفرات (کلوخهشدن داخلی) وجود دارند که این خوشهها در سیستمهای کاربردی سرامیکها با گذشت زمان بزرگ میشوند.
چنانچه گرمادهی مناسب صورت بگیرد، در طول فرآیند گرمادهی، حفرات تولیدی اولیه سریعتر بسته شده و با کاهش قابل توجه دما به مقداری کمتر از آنچه که برای تشکیل نواحی متخلخل ثانویه لازم است، حفرات تَرَکمانند تشکیل میشوند ]2[.
کلوخهشدن نه تنها در تشکیل و پراکندگی ذرات کلوییدی بحرانی است بلکه کنترل این امر، امروزه در بهدست آوردن پودرهای فوقالعاده ظریف و گرانبها ضروری میباشد؛ چه این پودرها بر اساس روشهای شیمیایی یا توسط CVD؛ سنتز هیدروترمال؛ سنتز لیزری؛ تجزیهی حرارتی؛ خشکشدن انجمادی بهدست آیند و چه از طریق آسیاب مرطوب یا خشک پودرهای درشتدانه.
استفاده از پودرهای فوقالعاده ظریف دیسپرسشده، ضرورتی غیر قابل اجتناب در بهدست آوردن سرامیکهای میکروساختار سفتشده با بافت ریز میباشد —اختلاف فشار بین سطوح پودری منحنی شکل، نیروی محرکه برای سفتشدن پودر میباشد—.
در این حالت روندهای اتصال ذرات به یکدیگر، توسط تعدادی از عوامل مرتبط با تحرکهای یونی و اتمی، تشکیل و تبدیل فازها، زاویهی مرطوبسازی، حلالیت میان فازهای مختلف و بهمنظور تفکیک اجزای حلشونده و جدایی فاز در/ نزدیک مرزدانهها اداره میشوند که هر دو مورد ذکرشدهی اخیر، ناشی از پتانسیلهای الکترواستاتیک و تنش ناشی از ناهمگونی ثابتهای کشش و ضرایب انبساط حرارتی که در پیشرفت سیستم بهسوی حداقل انرژی آزاد تشکیل ظاهر میشوند؛ میباشند.
خواص مرزدانهها (هم در مرزدانههای زاویه کوچک درونی سیستمهای تکفازی با خلوص بالا و هم در مرزدانههای بیرونی سیستمهای چند فازی، این خواص، ناشی از ناخالصیها، رسوبات، لایههای شیشهای، اثرات تخلخل یا ترکیبات میباشند)، بهطور قطع، گسترش ساختاری و خواص نهایی را کنترل میکند.
بنابراین، بهمنظور روشنشدن مفهوم ”مهندسی مرزدانه“ معیارها و تدابیری جهت اثرگذاری روی مسیر پخت (سفتشدن ذرات رسوبات) و متناسبسازی ساختار میکروی سرامیکهای توده، معرفی شدهاند ]3[.
این تدابیر شامل دانشی عمیق در کنترل خلوص و اندازهی پودر؛ استفاده آگاهانه از افزودنیها جهت اصلاح انتقال جرم و خواص مرزدانه در حالت جامد؛ مایعات فرّار؛ تشکیل عامدانهی فازهای مایع؛ گسترههای وسیعتر فشار، دما و فضا برای پخت سرامیک؛ عملیات تکمیلی پس از پخت و روشهای فشردهسازی و بازپخت میباشند.
هم سرامیکهای اکسیدی و هم سرامیکهای غیر اکسیدی ظرفیت بالا که بهسختی کلوخه میشوند و در برابر تفکیک و رشد بسیار زیاد دانه مقاوم هستند، تاکنون بهطور گستردهای در زمینهی مهندسی مرزدانه مورد مطالعه قرار گرفتهاند.
ترشوندگی مرزدانه، توسط فازهای ثانویه از اهمیت ویژهای در طول پخت و تشکیل مرزدانههای ناپایدار در جسم پختهشده، برخوردار است. بهعنوان مثال، زاویهی انحنا که ساختارهای مختلف مرزدانههای کاربردی بر مبنای آن تعریف میشوند، توسط تعادل انرژیهای سطح رابط جامد/ جامد، مایع/ جامد و گاز/جامد ثابت میشود. بنابراین، کاملاً واضح است که سطوح و مفاهیم سطحی، شامل آنهایی که ناشی از اندازهی ذرات، برهمکنشهای فضایی یا الکترواستاتیکی، رفتارهای سینتیکی و ترمودینامیکی هستند؛ نقشی اساسی هم در مراحل ابتدایی دستکاری و تشکیل پودر و هم در کل مدت پخت و تشکیل میکروساختارها دارند.
این امر به وضوح توسط پارامترهای بیرونی و درونی سطح یا مرتبط با سطح که شامل روابط بنیادی متعدد حالت کلوییدی و تحول ساختاری سیستمهای سرامیکی میباشند؛ مانند: سرعت تراکم؛ قدرت تراکم؛ هستهزایی؛ رشد دانه؛ آمادهسازی به روش اُستوالد؛ سختشدن فاز مایع و جامد نشان داده میشود (جدول1).
جدول (1) نقش سطوح / سطوح میانی در پردازش کلوییدی و تکامل میکروساختاری سرامیکها
-(dN(t))⁄dt= K_p N(t)^2+ K_0 N(t) حالت کلوییدی
سرعت تجمع
K_p (K_0 )=2KT⁄(3Ƞa) ∫_0^∞▒exp (V(R))⁄R^2 dR
V(R)، پتانسیل واکنش شامل برهمکنشهای الکترواستاتیک واندروالس، حلالپوشی و فضایی میباشد.
σ=((1-V_p )N σ_c)⁄〖πr〗^2
cσ، میانگین نیروی چسبندگی هر نقطهی تماس که به برهمکنش سطح میانی بستگی دارد. نیروی چسبندگی
∆G= 〖4πr〗^2 γ+ 4⁄〖3πr〗^3 ∆G_v هستهزایی
U=K (γ V)/RT ((1⁄r_1 + 1⁄r_2 ) exp〖〖∆S〗^+ 〗)/R exp〖(-〖∆H〗^+ 〗/RT) رشد هسته
(a(t)⁄(a_i )^(3 ) )=1+ (ρ^2 RTQi^3)/(6Dc_pi M) ∙ t/γ آمادهسازی اُستوالد
پخت حالت جامد
x⁄r=((3√π γ M^(3⁄2) P_0)/(√(2 ) R^(3⁄2) T^(3⁄(2 )) d^2 )) ∙ r^((-2)⁄3) ∙ t^(1⁄3) تبخیر/ تراکم
x⁄r=((40 γ D^* a^3)/KT)^(1⁄5) ∙ r^((-3)⁄5) ∙ t^(1⁄5) نفوذ شبکه
پخت فاز مایع
x⁄r= 〖((3 γ)⁄(2Ƞρ))〗^(1⁄2) ∙ t^(1⁄2) تشکیل قالب
d_ῤ⁄dt= (3 γ)⁄2 r_(0 Ƞ) (1- ῤ) مرحلهی میانی و مرحلهی نهایی
نقش سطوح/ سطوح رابط روی رفتار مکانیکی سرامیکها
پدیدهی مرزدانه و ساختار و ترکیب مرزدانهها، از طُرُق متعددی روی خواص سطحی و خواص بدنهی سرامیکها تأثیر میگذارند که مرتبط با رفتار خدماتی، شامل پوشش و خوردگی میباشند. چنانچه امکانپذیر باشد، یک سرامیک پلی کریستالی میتواند بهعنوان کامپوزیتی از تجمع مرزهای دانه/ دانه، مدل شده و در واقع بر مبنای قوانین کامپوزیتها ارزیابی شود.
معایب سطحی مهم، ناهمگونیهای میکروساختاری ناشی از فرآیندها/ پردازشهای نامناسب، معایب ایجادشده در مرزدانهها بهدلیل دیلاتومتری ناهمسانگرد و افزایش رسوبات یا خلل و فرج در مرزدانهها، همگی عواملی هستند که روی خاصیت احتمالی سرامیکها تأثیر میگذارند. دانسیته و کیفیت مرزدانه در تثبیت انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک سطح جدید مؤثر است؛ بنابراین، روی سختی سطح و گسترش شکستگی اثر میگذارد. اثرات سطح شیمیایی روی خستگی ایستا نیز مهم هستند. ارتعاش انتشاری ناشی از جریان خلأ و حرکت مرزدانه، فرآیندهای تغییر شکل دمای بالا در پلی کریستالهای سرامیک تحت شرایط افزایش دمای بالا را مدیریت میکنند؛ اینها بهشدت به فرآیندهای اتمی (جریان خلأ) و هستهزایی تَرَک در مرزدانهها و گسترش آنها توسط جریان ویسکوز که به دانسیتهی ویسکوزیتهی مرزدانه مربوط میباشند؛ بستگی دارند.
اخیراً پیشرفتهای فناوری شگفتانگیزی با استفاده از اثرات مرزدانه و اثرات مرتبط با سطح بهدست آمدهاند. شکلپذیری فوقالعادهی میکرودانهها برای Y-TZP نشان داده شدهاست و همینطور نشان داده شده که ازدیاد طول دانهها تا 300% امکانپذیر است؛ بنابراین، دیدگاههای جدیدی در فناوری فشردهسازی سرامیک و استفاده از سرامیکها برای کاربردهای تحمل فشار دمای بالا پیشنهاد شدهاست ]4[.
سفتشدن سرامیکها در طول دگرگونی زیرکونیوم مونوکلینیک چهار گوشهای، مثال فوقالعادهی دیگری از اهمیت اثرات مرتبط با سطح در فناوری سرامیکها میباشد. بهطور کلی مرزدانهها بهعنوان حفراتی جهت فرورفتن افزودنیهای مورد نیاز برای سفتشدن سرامیکهای پلی کریستالی که روی اندازهی دانه و دانسیته اثر میگذارند؛ عمل میکنند ]5[.
مرزدانهها بهطور کلی، هم در شکل معمول فاز پیوسته سیلیکاتِ شیشهای در سرامیکهای سنّتی و هم در الگوی مهندسیشدهی سرامیکهای High-Tech ضعیفتر و واکنشپذیرتر از بافت زمینه بوده و بهعنوان مکانهایی ترجیحی جهت پوشش و خصوصاً خوردگی عمل میکنند. اکسیداسیون نیترید سیلیکون فشردهی داغ (HPSN)، شکل2، بهوضوح نشان میدهد که چگونه مقدار و کیفیت متفاوت فاز مرزدانه روی واکنشپذیری در محیطهای اکسیژنی (اکسیژندار) اثر میگذارد ]6[؛ بنابراین، تعجبآور نیست که، زمانیکه ما قادر به تولید میکروساختارهای سرامیکی مناسب، بدون استفاده از افزودنیها هستیم؛ بنابراین میتوانیم در بدستآوردن خواصی که میتوانند از خواص متناظر در سرامیکهای پلی کریستالی متخلخل با مواد پایهی مشابه بهتر باشند، نیز، موفق باشیم.
شکل (2) تاثیر خلوص و ترکیب فاز مرزدانه روی اکسیداسیون Si3N4
فناوریهای پوشش و اتصال سطوح در سرامیکها
معیارها و ضوابط اصلی و پایهای برای پوشش و اتصال، در موارد بسیاری، تا جاییکه رفتارهای سطوح حد واسط را شامل میشود، شبیه میباشند.
این مطلب میتواند به این صورت خلاصه شود: اطمینان از وجود پیوند شیمیایی و حضور اختلاف تنشی حداقل در سطوح مشترک با شیب تنش مطلوب در نواحی دو رویه —واقع در روی سطوح مشترک— ]7[ (جدول2).
جدول (2) الزامات پایهای برای تجمعات قوی فلز/ شیشه و فلز/ سرامیک
گسترش پیوند شیمیایی در سطوح میانی
کاهش تنشهای سطوح میانی توسط
ضرایب انبساط حرارتی
بهینهسازی شیبهای ترکیبی و میکروساختار سطح میانی
تشکیل یک سطح تراکم که در آن اتصالات اتمی، هم از طریق نیروهای جاذبهی واندروالسی و هم از طریق پیوند شیمیایی، ایجاد شده باشند، نیازی ابتدایی و اساسی است ]7[ (جدول3).
دومین مسئلهی حائز اهمیت، در همهی شرایط، حضور تعادل ترمودینامیکی پایدار در سطح مشترک میباشد؛ تا پوشش یا اتصال قابل اطمینانی ایجاد شود. تشکیل یک سطح مشترک از اتصالات اتمی متراکم، در فصول مشترک جامد/ جامد، میتواند توسط فشار و نهایتاً با کمک دمای بالا بهدست آید که در نتیجهی تنظیم فیزیکی در سطوح مشترک توسط تغییر شکل موضعی میباشد.
جدول (3) مکانیسمهای پیوند شیمیایی احتمالی
تشکیل لایهی میانی از اتصالات اتمی قوی
جامد/ جامد: فشار (تنظیم فیزیکی در سطح میانی توسط تغییر شکل موضعی)
جامد/ مایع: مرطوبسازی (نفوذ بینظمی)
گسترش (توسط واکنش یا فشار)
انجام واکنش جهت دستیابی به تعادل شیمیایی در سطح میانی. اشباعشدن توسط فاز سازگار.
فلز/ فلز: واکنشهای محلول و اشباع محلول در سطح میانی
سرامیک/ سرامیک: پیوند نفوذی
فلز/ شیشه: حل لایهی اکسیدی روی فلز پراکسیدایز شده
سرامیک/ فلز: واکنشهای ردوکس (اکسیداسیون-احیا)
اشباع در سطوح میانی با محصول اکسید بستر
تشکیل ترکیبی در سطح میانی که با هر دو فاز سازگار باشد.
در اتصالات جامد/ مایع، مرطوبسازی، نفوذ بینظمی و گسترش آن توسط واکنش یا فشار، همگی در تشکیل اتصال مهم میباشند. یکی از شرایط پیوندی خاص در درک پدیدهی گسترش اتصالات، مربوط به انرژیهای سطح میباشد.
در سیستمهای شبیه/ شبیه مثل فلز/ فلز و سرامیک/ سرامیک، هم تشکیل محلول و هم تشکیل ترکیب، بهآسانی در سطح مشترک، بهمنظور رسیدن به پایینترین سطح انرژی آزاد، رخ میدهند. عموماً هیچ تغییرات ظرفیتی صورت نمیگیرد و سادهترین واکنش حل یک فاز توسط دیگری بهمنظور ایجاد یک حالت تعادلی آنی/ لحظهای در سطح مشترک میباشد.
تداوم واکنش با کمک نفوذ به درون توده (نفوذ فاز حلشده به درون تودهی فاز دیگر) صورت میگیرد، بنابراین واکنش کلی بهعنوان اتصال نفوذی اشاره میشود.
در اتصالات مجموعههای شیشه/ فلز و سرامیک/ فلز، وقوع پیوند شیمیایی و پیوند تعادلی توسط واکنشهای اکسیداسیون– احیا که در سطح مشترک رخ میدهند، حتمی است و شامل اکسیداسیون فلز و احیای یک کاتیون در شیشه یا سرامیک میباشد. تعدادی از روشهای اتصال برای اتصالات سرامیک/ فلز و سرامیک/ سرامیک گسترش یافته و یا تحت بررسی هستند (جدول4).
جدول (4) مثالهای معمول از اتصالات سرامیک/ سرامیک و سرامیک/ فلز
مثالهای اتصالات فلز/ سرامیک که هماکنون در حال استفاده هستند، خصوصاً در قطعات high vaccume، شامل اتصال مستقیم حالت جامد نیوبیم به آلفا- آلومینا؛ اتصال حالت جامد PSZ به استیل با استفاده از یک لایهی میانی تیتانیوم؛ اتصال واکنشپذیر مس به آلومینیوم در جوی بیاثر در حضور فشار کم جزءِ اکسیژن؛ اتصال واکنشپذیر آلومینیوم و نیترید سیلیکون به فلزات از طریق لحیمهای مس-نقره که شامل یک فلز با پتانسیل اکسیداسیون بالا شبیه تیتانیوم و لحیمکاری سطوح سرامیکی فلزاندود است؛ و تکنیک مولیبدن- منگنز برای حصول پوششهای متخلخل مولیبدن میباشند.
حصول اتصالات قابل اطمینان سرامیک/ سرامیک، برای کاربردهای مهندسی دمای بالا، در جهات گوناگونی مورد توجه قرار گرفتهاست؛ مانند: اتصال مستقیم حالت جامد Si3N4 توسط پرس داغ تکمحوره؛ انجام عملیات فشار داغ همتعادل (HIP’ing) و سفتشدن مخلوط واکنش؛ اتصال به RSSN (واکنش نیترید سیلیکون متخلخل) و SSN (نیترید سیلیکون متخلخل) با یک لایهی میانی آلومینیومی؛ اتصالات Al2O3 و Si3N4 به خمیر سرامیک حاوی ترکیبات مختلف و اتصال جفتهای HPSN توسط پرس داغ با استفاده از ورقههای پلی اتیلن. روشهای فلزاندود کردن بهمنظور یکپارچهسازی جفتهای RBSN/HPSN با آلیاژ تیتانیوم– مس– برلیم (Ti-Cu-Be) و جفتهای RBSN با فلز ژرمانیوم مایع بهخوبی ارائه شدهاند.
نتایج امیدوارکنندهای بهدست آمدهاند، اما همچنان پیشرفتهای عمده در زمینهی اتصال، چسبندگی و پایداری برای کاربردهای طولانیمدت در محیطها و شرایط سخت مثل موتورهای گرمایی پیشرفته مورد نیاز است؛ زیرا حد تحمل خوردگی و فشار قابل اعتماد در اتصالات فلز/ سرامیک و سرامیک/ سرامیک پارامترهای مهمی در فناوری سرامیکها میباشند.
فناوری پوشش برای سرامیکها
درحالحاضر از شیوههای متعددی برای ایجاد پوشش سطح سرامیکها استفاده میشود. این شیوهها بهطور خلاصه در جدول 5 آورده شدهاند. مرز بین روشهای مختلف رسوبدهی، برای مثال روشهای CVD و PVD، در حال محوشدن است. در میان جدیدترین پیشرفتهای کاربردی در فنون متعدد پوششدهی دو مرحلهای، روش سُل/ ژل بهطور خاصی جذاب بهنظر میرسد.
جدول (5) - خلاصهای از روشهای پوششدهی سرامیکها
روشهای دو مرحلهای
رنگرزی
آغشتهسازی
پاشش (اسپری)
چاپ روی صفحه
لعاب الکترواستاتیک
لعاب بستر سیال لعاب سانتریفیوژ صفحه
ترموفورز
پوششدهی چرخشی
رشد محلول
(اغلب این روشها برای فرآیند سل/ ژل مناسب هستند)
روشهای تک مرحلهای
اسپری حرارتی
اسپری شعله
تفنگ انفجاری
جت کوت (Jet Kote)
اسپری پلاسما اسپری پلاسمای فشار کم
اسپری پلاسمای برودتی (سرمازا)
اسپری پلاسمای زیر آب
اسپری پلاسمای واکنشپذیر
رسوبگذاری بخار شیمیایی (CVD)
CVD معمولی
CVD با لیزر کمکی
CVD با پلاسمای کمکی
CVD آلی– فلزی CVD ذرات
CVD به کمک رسوب ذرات
CVD با کمک پرتو الکترونی
رسوبگذاری بخار فیزیکی (PVD)
تبخیر در خلأ
تبخیر در خلأ واکنشپذیر
تبخیر توسط گاز واکنشپذیر فعالشده
رسوبگذاری به کمک یون
رسوب خوشهی اتمهای یونیزهشده توسط پرتو الکترونی
رسوب خوشه اتمهای یونیزهشدهی واکنشپذیر پلاسمای اسپاترنیگ
اسپاترنیگ پرتو یونی
اسپاترنیگ لیزری
رسوب پرتو یونی
لایهگذاری یونی
لایهگذاری یون واکنشپذیر
سایر روشها
انبساط سریع محلولهای فوق بحرانی
فنون رشد محلول
غوطهور سازی در مواد مذاب
اسپری روی بستر گرمشده
تکنولوژی سُل/ ژل در مقایسه با روشهای سنتی تولید سرامیک مزایای بسیاری دارد. از این مزایا میتوان به خلوص بالا و قابلیت اطمینان بالا به مواد خام اولیه، کنترل بهتر همگن و ناهمگن بودن میکروساختارها، دمای کمتر فرآیند و امکان استفاده از مواد غیر معمول اشاره کرد.
تاکنون برای تولید ساختارهای چندجزیی اکسیدی و غیراکسیدی با اندازهی کنترلشده در مقیاس نانو مانند پوششهای هیبریدی و پوششهای کامپوزیتی، روشهایی مطرحشده ویا در حال بررسی هستند.
ژلهای کلوییدی (فیزیکی) تشکیلشده از سُلهای کلوییدی یا از هیدرولیز/ رسوب گونههای معدنی در محلول آبی، و ژلهای پلیمری (شیمیایی) تشکیلشده از هیدرولیز/ بسپارش آلکوکسیدهای فلزی مربوط به عاملهای آلی– فلزی برای بهدست آوردن یک ساختار پلیمری، هر دو برای تولید پوششها یا لایههای متخلخل یا متراکم، بینظم، شیشهای یا بهطور جزئی یا کلی کریستالی (با ساختار منظم) بهکار میروند.
درجهی تراکم واحدهای کلوییدی پایهای در یک ژل فیزیکی، انقباضات بزرگ، کریستالیزاسیون پیش از موعد و رشد دانهی غیر عادی که منجر به کیفیت ضعیف میشود و فقدان غلظتهای بالای ناخالصی در مرزدانهها از مهمترین اثرات مرتبط با سطح در تکنولوژی سُل/ ژل میباشد. اگرچه انقباضات زیاد در ترکیبات تولیدشده از ژل یکپارچه باعث کاهش مراحل تولید و کاهش هزینههای تولید میشوند، اما ثابت شده است که این انقباضات برای تولید پوششها خیلی مهم نیستند. در واقع، لایههای سیلیسی با کیفیت بالا میتوانند بهراحتی روی قطعات شیشهای با مساحت چند مترمربع رسوب کنند و لایههای سیلیسی ضخیم غیرکریستالی میتوانند توسط پوششهای شیبدار چند لایهای ایجاد شوند.
اسپری پلاسما که بیشترین انرژی را به پودرهای پوششی وارد میکند، در میان روشهای اسپری حرارتی، عمومیترین تکنیک برای تولید سرامیکهای با نقطه ذوب بالا میباشد (جدول6).
ازجمله پیشرفتهای حاصلشده که منجر به بهبود کیفیت پوششها شدهاند، اسپری پلاسمای فشار کم، برودتی، زیر آب و واکنشپذیر هستند؛ پدیدهی تجزیه/ تصعید که در طی اسپری پلاسما رخ میدهد، عمدهترین مشکل در تولید اغلب سرامیکهای غیراکسیدی است که باید رفع گردد.
جدول (6) - ترکیبات پایهای برای تولید سرامیک و تکنیکهای اسپری حرارتی برای حفاظت دربرابر سایش و خوردگی
ترکیبات فرآیندهای پوشش معمول
اکسیدها
آلومینیوم اکساید Al2O3
تیتانیوم اکساید TiO2
اکسید کروم Cr2O3
اکسید زیرکونیوم ZrO2
سولفات زیرکونیوم + آلومینیوم اکساید
سرمتها (مثال: اکسید کروم/ نیکل کروم)
غیر اکسیدها
کربیدها: کربید تنگستن، کربید تیتانیوم،
کربید بور، کربید سیلسیم، کربید کروم،
کربید وانادیم، کربید اورانیوم،
کربید تنگستن- تیتانیوم.
نیتریدها: نیترید زیرکونیوم، نیترید تیتانیوم،
نیترید تانتالیم، نیترید بور، نیترید بور،
نیترید سیلیسیم، نیترید آلومینیوم
کربو نیتریدها: کربونیترید تیتانیوم
بوریدها: تیتانیوم بورید
سیلیسیدها: مولیبدن سیلیسید اسپری شعله (FS)
اسپری پلاسمای هوا (APS)
تفنگ انفجاری (DG)
جت کوت (JK)
اسپری پلاسمای بیاثر (IPS)
اسپری پلاسمای فشار کم (LPPS)
اسپری پلاسمای زیر آب(UPS)
(APS) LPPS, IPS
فلورایدها: باریم فلوراید، کلسیم فلوراید،
باریم فلوراید- کلسیم فلوراید IPS, LPPS, APS
