مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع فارسی: راسخون



 

مقدمه

تکنیک رسوب دهی الکتروفورتیک(EPD) با گستره ی وسیعی از کاربردهای جدید در فرایند های تولید مواد سرامیکی پیشرفته و تولید پوشش ها، اخیرا در دو بخش صنعتی و دانشگاهی مورد توجه قرار گرفته است. علت این امر نه تنها به خاطر تطبیق پذیری این روش با مواد مختلف و قابلیت ترکیب کردن آن است، بلکه همچنین به خاطر وسایل ساده ی مورد نیاز برای رسوب دهی با این روش است. رسوب دهی الکترفورتیک( EPD) در سال 1808 شناخته شد. در این سال یک محقق روسی به نام Ruess مشاهده کرد که میدان الکتریکی بر روی حرکت ذرات خاک رس موجود در آب، اثر می گذارد. اما اولین استفاده ی عملی از این تکنیک از سال 1933 شروع شد. در این زمان رسوب دهی ذرات توریا( thoria) بر روی کاتد پلاتینی با استفاده از این روش انجام شد. این کاتد پلاتینی پوشش داده شده با توریا به عنوان یک ماده ی ساتع کننده برای کاربردهای لوله ی الکترونی مورد استفاده قرار می گرفت( این روش در آمریکا پتنت شده است). اگرچه پدیده ی پایه ای اتفاق افتاده در EPD به خوبی شناخته شده است و این مقوله هدف اصلی بسیاری از تحقیقات عملی و تئوری بوده است، EPD سرامیک ها اولین بار بوسیله ی Hamaker مورد بررسی قرار گرفت؛ و تنها در دهه ی 1980 بود که این فرایند در سرامیک های پیشرفته مورد توجه قرار گرفت. اتفاق نظر کلی در جوامع علمی در زمینه ی نیاز به توسعه ی یک ادراک کمی و کامل در زمینه ی مکانیزم های اساسی EPD، وجود دارد که بوسیله ی این کار پارامترهای کاری برای استفاده ی گسترده تر EPD در فرایندهای مواد، بهینه سازی می شوند. این مقاله ی مروری در زمینه ی رسوب دهی الکتروفورتیک و کاربردهای آن در زمینه های فرایند های مختلف، ارائه کرده است.

رسوب دهی الکتروفورتیک- تعریف

رسوب دهی الکتروفورتیک( EPD) یکی از فرایندهایی کلوئیدی در تولید سرامیک هاست و دارای مزیت هایی از جمله زمان تشکیل کوتاه، ادوات ساده، محدودیت کم نسبت به شکل زیرلایه، عدم نیاز به بایندر( که باعث می شود مقدار مواد آلی موجود در پوشش خام بسیار کم و یا حتی صفر باشد). در مقایسه با سایر تکنیک های شکل دهی پیشرفته، فرایند EPD بسیار تطبیق پذیر است؛ از این رو می توان با اصلاح آن، این روش را به آسانی برای یک کاربرد خاص استفاده کرد. برای مثال رسوب دهی می تواند بر روی سطح صاف، استوانه ای، یا هر شکل دیگر زیرلایه انجام شود( تنها کافی است اندکی جای الکترودها و طراحی آنها را تغییر دهیم). به طور خاص، با وجود اینکه این روش یک روش تر است، می توان به آسانی ضخامت و مرفولوژی فیلم رسوب داده شده را از طریق تنظیم زمان رسوب دهی و پتانسیل اعمالی، تغییر دهیم. در EPD، ذرات پودری باردار که در یک محیط مایع پخش شده و یا به صورت سوسپانسیون در می آیند، جذب شده و بر روی زیرلایه ی رسانا که دارای بار مخالف است، رسوب می کنند( این رویه در میدان الکتریکی DC انجام می شود). واژه ی رسوب دهی الکتریکی( electrodeposition) اغلبا به طور سر بسته برای بیان رسوب دهی الکتروفورتیک یا الکتروپلیتینگ مورد استفاده قرار می گیرد؛ اگرچه این واژه بیشتر برای بیان الکتروپلیتینگ کاربرد دارد. جدول 1 تمایز میان این دو روش را نشان می دهد.
تفاوت اصلی میان فرایند رسوب دهی الکتروفورتیک( EPD) و فرایند رسوب دهی الکترولیتی( ELD) این است که فرایند اول بر اساس سوسپانسیونی از ذرات در حلال انجام می شود، در حالی که فرایند دوم بر اساس محلولی از نمک ها مانند مواد یونی انجام می شود. دو نوع رسوب دهی الکتروفورتیک وجود دارد؛ در واقع بسته به اینکه رسوب دهی بر روی کدام الکترود بوقوع بپیوندد، دو نوع رسوب دهی داریم. وقتی ذرات دارای بار مثبت هستند، رسوب دهی بر روی کاتد رخ می دهد و فرایند، رسوب دهی الکتروفورتیک کاتدی نامیده می شود. رسوب دهی ذرات با بار منفی بر روی الکترود مثبت( آند)، رسوب دهی الکتروفورتیک آندی نامیده می شود. با اصلاحات مناسب بار سطحی ذرات، هر دو نوع رسوب دهی قابل انجام است. شکل 1 یک شماتیک از این دو فرایند را نشان می دهد.
با توجه به کاربردهای فنی، پتانسیل رسوب دهی الکتروفورتیک( EPD) به عنوان یک تکنیک فرایندی برای مواد، روز به روز شناخته تر می شود( هم برای محققین و هم کارشناسان). علاوه بر کاربردهای مرسوم در ساخت پوشش های ضد سایش و پوشش های سرامیکی ضد اکسید شوندگی، ساخت فیلم های کاربردی برای وسایل میکروالکترونیکی پیشرفته و سلول های سوختی اکسیدی جامد و همچنین ساخت پوشش های بیواکتیو و کامپوزیت های جدید برای کاربردهای بیولوژیکی از جمله کاربردهای این تکنیک است و روز به روز بر علاقه برای استفاده از این روش در مونتاژکاری در مقیاس نانوبرای مواد کاربردی پیشرفته، بیشتر می شود. رسوب دهی الکتروفورتیک همچنین مزیت های مهمی را در رسوب دهی ترکیبات پیچیده و لایه های سرامیکی دارد. درجه ی استوکیومتری در رسوب دهی الکتروفورتیک بوسیله ی درجه ی استوکیومتری پودر مورد استفاده، کنترل می گردد. با توجه به کار Sakar و Nicholson[5]، واکنش های ذره/ الکترود در EPD ایجاد نمی گردد و ذرات سرامیکی بار خود را در هنگام رسوب دهی، از دست نمی دهند؛ که این مسئله در مشاهداتی دیده شد که در آن میدان الکتریکی معکوس باعث از میان رفتن لایه ی رسوب کرده، شد. بنابراین برای کنترل بهتر بر روی ضخامت لایه، این مهم است که از ذرات باردار مشابه و سیستم های حلال- بایندر-پراکنده ساز مشابه استفاده کنیم. نیروی محرکه ی اصلی برای رسوب دهی الکتروفورتیک( EPD) بار ذرات و موبیلیته ی الکتروفورتیک ذرات در حلالی است که تحت میدان الکتریکی اعمال شده قرار دارند. تکنیک EPD به طور موفقیت آمیز برای تولید لایه های نازک از سیلیس، غشاهای زئولیتی نانوسایز، پوشش دهی هیدروکسی آپاتیت بر روی زیرلایه ی فلزی( برای کاربردهای بیولوژیک)، مواد لومینسانس، فیلم های ابررسانای دما بالا، الکترودها و سنسورهای نفوذ گازی، کامپوزیت های چند لایه ای، کامپوزیت های زمینه سرامیکی و شیشه ای( با تزریق ذرات سرامیک در داخل الیاف بافته شده)، نانومیله های اکسیدی، لایه های تولید شده از نانولوله های کربنی، سرامیک های درجه بندی شده ی فانگشنال، سرامیک های لایه ای، ابررساناها، مواد پیزوالکتریک و غیره، مورد استفاده قرار گرفته است. در واقع تنها عیب فرایند EDP در مقایسه با سایر فرایند های کلوییدی( مانند روش غوطه وری و پوشش دهی دوغابی)، این است که این روش نمی تواند از آب به عنوان محیط حلال استفاده کند علت این مسئله این است که استفاده از آب موجب می شود تا با اعمال ولتاژ، هیدروژن و اکسیژن تولید شود و کیفیت پوشش تحت تأثیر قرار گیرد. به هر حال تعداد زیادی از حلال های غیر آبی وجود دارند که در آنها این مشکل حداقل است.

فاکتورهای تأثیرگذار بر EPD

مکانیزم EPD این است که ذرات باردار موجود در یک سوسپانسیون، تحت اثر میدان الکتریکی، بر روی یک الکترود رسوب می کنند. دو گروه از پارامترهای تعیین کننده ی ویژگی های فرایند عبارتند از:
1) پارامترهای مربوط به سوسپانسیون
2) پارامترهای مربوط به فرایند( شامل پارامترهای فیزیکی مانند طبیعت الکتریکی الکترودها، وضعیت الکتریکی( رابطه ی ولتاژ/ شدت، زمان رسوب دهی، و غیره).
برای رسوب دهی الکتروفورتیک ذرات، بخشی از جریان نه تنها باید برای حمل کردن ذرات باردار استفاده شود بلکه بخشی از این جریان باید برای حمل یون های آزاد موجود در سوسپانسیون استفاده شود. بنابراین مقدار ذرات رسوب کرده به سادگی با جریان در ارتباط نیست. به هر حال می تاون از جریان حمل شده بوسیله ی یون های آزاد، در مواقعی که مقدار یون های آزاد ناچیز است، صرفه نظر کرد. در حقیقت مقدار یون های آزاد عموما در سوسپانسیون های آلی مانند کتون ها کم است. به عبارت دیگر این باور وجود دارد که تجمع بارهای کاتدی و آندی در الکترودها در طی فرایند الکتروفورتیک سرعت رسوب دهی ثانویه را کاهش می دهد. به هر حال اثر یون های انباشته شده در دوره ی ابتدایی ناچیز است.
اولین کار در زمینه ی ایجاد ارتباط میان مقدار ذرات رسوب کرده با پارامترهای مختلف مؤثر در فرایند الکتروفورتیک، بوسیله ی Hamaker [1] و Avgustnik و همکارانش انجام شد. قانون Hamaker بازده رسوب دهی (w) را با شدت میدان الکتریکی(E)، موبیلیته ی الکتروفورتیک µ، مساحت سطح الکترودها(A)، و غلظت جرمی ذرات در سوسپانسیون(C) ارتباط می دهد:
قانون Avgustnik بر اساس الکترودهای استوانه ای و موازی با هم پایه گذاری شده است و موبیلیته ی الکتروفورتیک نیز بسط داده شده است. این قانون به صورت تابعی از نفوذپذیری( ɛ)، پتانسیل زتا (ζ) و ویسکوزیته ی سوسپانسیون(η) بیان می شود:
که در اینجا و a به ترتیب طول و شعاع الکترودی است که رسوب دهی در آن انجام می شود، b شعاع الکترود شمارشگر موازی است .
Biesheuval و Verweij این معادلات کلاسیک را بهبود دادند و مدل های پیچیده تری را برای فرایند رسوب دهی توسعه دادند آنها این مدل های پیچیده تر را با استفاده از در نظر گرفتن حضور سه فاز مجزا برای این فرایند انجام دادند. این فازهای مجزا عبارتند از:
1) یک فاز جامد( رسوب)
2) یک فاز سوسپانسیون
3) یک فازی که دارای ذرات جامد اندکی است.
فاز رسوب و فاز مایع بدون ذره هر دو با مصرف شدن فاز سوسپانسیون رشد می کنند. با در نظر گرفتن حرکت مرز میان رسوب و فاز سوسپانسیون با زمان و توجه به معادله ی پیوستگی و عبارت سرعت ذرات در سوسپانسیون و بر اساس معادله ای که Avgustinik و همکارانش بدست آوردند، معادله ی زیر پدید می آید:
که در اینجا و به ترتیب غلظت حجمی ذرات در سوسپانسیون و رسوب است. غلظت جرمی ذرات در رسوب، µ موبیلیته ی الکتروفورتیک است .
Ishihara و همکارانش و Chen و Liu از معادله ی زیر برای وزن(w) ذرات باردار رسوب کرده بر واحد مساحت الکترودها در دوره ی ابتدایی استفاده کردند( این افراد از بار حمل شده بوسیله ی یون های آزاد صرفنظر کردند):
که در اینجا C غلظت ذرات، نفوذپذیری خلأ، نفوذپذیری حلال، ζ پتانسیل زتا، E پتانسیل اعمال شده، L فاصله ی میان الکترودها و t زمان رسوب دهی است. معادلات بالا اغلبا معادلات Hamaker نامیده می شوند. پیشنهاد می شود که وزن رسوب دهی ذرات باردار تحت رسوب دهی الکتروفورتیک ایده آل به پارامترهای بالا وابسته است. به هر حال اگر حلال، ذرات و دستگاه مورد استفاده برای EPD ثابت باشند، فاکتور ζ ، ، (η) و L در معادله ی بالا ثابت است. در نتیجه وزن ذرات رسوب کرده(w) در روش الکتروفورتیک تابعی از E، t و C است. بنابراین در روش الکتروفورتیک، جرم ذرات رسوب کرده که ضخامت لایه ی رسوب کرده نامیده می شود، می تواند بسهولت بوسیله ی غلظت سوسپانسیون، پتانسیل اعمال شده، و زمان رسوب دهی کنترل شود.
پارامترهای مربوط به سوسپانسیون
با توجه به ویژگی های سوسپانسیون، پارامترهای زیادی مانند طبیعت فیزیکوشیمیایی ذرات سوسپانسیون و محیط مایع، ویژگی های سطحی پودر و اثر نوع و غلظت افزودنی ها( عمدتا پراکنده سازها)، باید در نظر گرفته شود.

اندازه ی ذرات

اگر چه یک قانون کلی در مورد اندازه ذرات مناسب برای رسوب دهی الکتروفورتیک وجود ندارد، رسوب دهی مناسب انواع مختلفی از سیستم های سرامیکی و رسی در گستره ی 1 تا 20 میکرون گزارش شده است. اما این صحبت به این معنا نیست که رسوب دهی در خارج از این گستره، قابل انجام نمی باشد. اخیرا با افزایش علاقه در زمینه ی مواد نانوساختار، تکنیک EPD به عنوان یک روش مناسب برای منتاژکاری نانوذرات در نظر گرفته می شود که جزئیات این کار در بخش های بعدی آورده شده است. این مسئله مهم است که ذرات به طور کامل در سوسپانسیون پراکنده شوند تا بدینوسیله یک رسوب هموژن و پایدار پدید آید. برای ذرات درشت تر، مشکل اصلی این است که این ذرات به دلیل غلبه ی نیروی وزنشان ته نشین می شوند. به طور ایده آل، موبیلیته ی ذرات که بوسیله ی فرایند الکتروفورتیک بوجود می آید، باید بر نیروی گرانش غلبه کند. از این رو پدید آمدن پوشش های یکنواخت با استفاده از ذرات درشت، مشکل است. رسوب دهی الکتروفورتیک از سوسپانسیوت های در حال ته نشست شدن، منجر به ایجاد گرادیان در پوشش می شود. بوجود آمدن گرادیان یعنی تولید رسوبات ضخیم تر در پایین و رسوبات نازک تر در بالا( در حالتی که رسوب دهی در حالت عمودی باشد). علاوه براین برای اینکه رسوب دهی الکتروفورتیک با ذرات بزرگ تر اتفاق افتد، بار سطحی بسیار قوی تری نیز نیاز است یا اینکه ناحیه ی لایه ی دوگانه ی بزرگتری باید حاصل شود. اندازه ی ذرات همچنین بر روی دارای یک اثر همیشگی بر روی کنترل ترک خوردن در طی فرایند خشک شدن لایه است. Sato و همکارانش اثر اندازه ی ذرات بر روی کاهش تشکیل ترک را بررسی کردند و نتایج کار آنها در شکل 2 آورده شده است. ترک در لایه ها رسوب کرده از سوسپانسیون های شامل ذرات نسبتا کوچکتر( 0.06 میکرون) بسیار کمتر از لایه های رسوب کرده از سوسپانسیون های دارای ذرات درشت تر( 3 میکرون) می باشد. از این رو کاهش اندازه ی ذرات، مرفولوژی لایه های ابررسانای YBCO تولید شده بوسیله ی فرایند رسوب دهی الکتروفورتیک را بهبود می دهد و از این رو، این روش روشی مناسب برای به حداقل رساندن ترک های ایجادی در لایه هاست.

ثابت دی الکتریک مایع

Powers سوسپانسیون آلومینای بتا را در محیط های آلی مختلف بررسی کردند و مقدار رسوب ایجاد شده را به عنوان تابعی از ثابت دی الکتریک مایع و رسانایی سوسپانسیون تعیین کردند. یک افزایش شدید در رسانایی با ثابت دی الکتریک قابل توجه است که این حالت در زمانی اتفاق می افتد که مایع در حالت خالص خود است. این را نیز باید تذکر دهیم که ناخالصی به طور نمونه وار آب بر روی رسانایی اثر می گذارد و رسانایی سوسپانسیون های آسیاب شده نسبت به مایع خالص خیلی متفاوت است که این مسئله به دلیل وجود حالت های باری جذب شده و یا دفع شده ی مختلف است. Power رسوباتی را تنها از مایع تولید نمود که ثابت دی الکتریک آنها در گستره ی 12 تا 25 است. وجود ثابت دی الکتریک بسیار پایین باعث می گردد تا رسوب دهی با شکست مواجه گردد که علت این امر توان تجزیه کنندگی ناکافی می باشد؛ در حالی که با وجود یک ثابت دی الکتریک بالا، غلظت یونی بالا در مایع، اندازه ی ناحیه ی لایه ی دوگانه را کاهش می دهد و در نتیجه موبیلیته ی یونی کاهش می یابد. درنتیجه غلظت یونی در مایع باید پایین باشد که این حالت در مایعات با ثابت دی الکتریک پایین مطلوب است. ثابت دی الکتریک عموما محصولی از ثابت دی الکتریک نسبی و ثابت دی الکتریک خلأ است. جدول 2 ویژگی های فیزیکی مانند ویسکوزیته و ثابت دی الکتریک نسبی برخی از حلال ها را آورده است.

رسانایی سوسپانسیون

Ferrari و Moreno ، پس از مطالعه ی دقیق پیشنهاد کردند که رسانایی سوسپانسیون یک فاکتور کلیدی است و نیاز است که آن را در آزمایشات EPD مد نظر قرار داد. این مسئله نشان داده شد که اگر سوسپانسیون بسیار رسانا باشد، حرکت ذره بسیار کم است و اگر سوسپانسیون مقاومت رسانایی بالایی داشته باشد، ذرات به صورت الکتریکی باردار می شوند و پایداری از بین می رود. آنها مشاهده کردند که رسانایی سوسپانسیون با دما و غلظت الکترولیت( پراکنده ساز)، افزایش می یابد؛ اما تمام مقادیر رسانایی بدست آمده، برای رسوب دهی الکتروفورتیک مناسب نمی باشد. آنها یک نوار نازک را در گستره ی رسانایی پیدا کردند که برای رسوب دهی مناسب است( این نوار نازک در دما و غلظت های مختلف وجود دارد). رسانایی در خارج از این ناحیه برای EPD مناسب نمی باشد و تشکیل لایه را با مشکل مواجه می کند. به هر حال، بدست آوردن این ناحیه ی مناسب از رسانایی برای سیستم های مختلف، دشوار است. همچنین مساحت ناحیه ی رسانایی مناسب برای EPD را می توان با اعمال جریان، افزایش داد و میزان موفقیت فرایند EPD را افزایش داد.

ویسکوزیته ی سوسپانسیون

در فرایند ریخته گری، فاکتور کنترلی اصلی، ویسکوزیته است. اندازه گیری های رئولوژیک بر روی دوغاب هایی که بر روی آنها کار کرده ایم، این ایده ی خوب را به ما می دهد که وقتی بهترین حالت پراکندگی را داریم که از پراکنده ساز استفاده کنیم. در فرایند EPD، جامد مورد استفاده بسیار کم بوده و از ویسکوزیته نمی تواند برای ارزیابی حالت پراکندگی استفاده کرد. اما ویژگی های مطلوب در حامل سوسپانسیون، ویسکوزیته ی پایین، ثابت دی الکتریک بالا، و رسانایی کم است.

پتانسیل زتا

پتانسیل زتا در ذرات، یک فاکتور کلیدی در فرایند رسوب دهی الکتروفورتیک است. این فاکتور برای بدست آوردن بار سطحی یکنواخت و بالا، ضروری است. این فاکتور دارای نقش اساسی در کارهای زیر است:
1) تثبیت سوسپانسیون بوسیله ی تعیین کردن شدت میانکنش های میان ذرات
2) تعیین جهت و سرعت مهاجرت ذرات در طی EPD
3) تعیین دانسیته ی خام رسوبات
پایداری کلی یک سیستم به میانکنش میان ذرات منفرد در سوسپانسیون وابسته است. دو مکانیزم مؤثر بر این میانکنش نیروهای الکترواستاتیک و واندروالس هستند. احتمال لخته شدن یک سیستم دارای ذرات پراکنده شده در آن، به نیروی میانکنش بوجود آمده از این نیروها وابسته است که بعدا در مورد آنها صحبت خواهیم کرد. یک دافعه ی الکترواستاتیک بوجود آمده بوسیله ی بار بالای ذرات نیاز است تا بدینوسیله از لخته شدن ذرات جلوگیری شود. بار ذرات همچنین بر روی دانسیته ی خام رسوبات اثر می گذارد. در طی تشکیل رسوب، ذرات به همدیگر نزدیک تر می شوند و نیروی جاذبه میان آنها بیشتر می شود. اگر بار ذره کم باشد، ذرات، حتی برای فواصل داخل ذره ای نسبتا بزرگ نیز لخته می شوند و این موضوع سبب تشکیل رسوبات شبه اسفنجی یا متخلخل می شود. به طور برعکس، اگر ذرات در طی رسوب دهی، دارای بار سطحی بالایی باشند، آنها همدیگر را دفع می کنند و فضاهایی را اشغال می کنند که منجر به تشکیل رسوبات با دانسیته ی بالا می شود. و بنابراین، این بسیار مهم است که غلظت حلال ها و ذرات جامد و افزودنی های مورد استفاده درسوسپانسیون EPD کنترل گردد و بدین وسیله بالاترین دانسیته ی خام ممکنه در رسوبات حاصل شود. پتانسیل زتا را می توان بوسیله ی اضافه نمودن از عامل های باردارکننده ی مختلفی مانند اسیدها، بازها و مخصوصا یون های جذب شده یا پلی الکترولیت ها، به سوسپانسیون، کنترل نمود. بنابراین افزودنی های فراوانی وجود دارند که بر روی مقدار و دانسیته ی بار سطحی مؤثرند. این افزودنی ها معمولا دارای مکانیزم اثر متفاوت هستند. مهمترین معیار انتخاب عامل باردارکننده، قطبش ترجیحی و سرعت رسوب دهی ذرات است.

Chen و همکارانش فهمیدند که پایداری و سرعت های رسوب دهی آلومینا از سوسپانسیون تولید شده از اتانول در مقدار پی اچ 2.2 ماکزیمم است( در این پی اچ، پتانسیل زتا ماکزیمم است)(شکل 3). به هر حال، تحت پتانسیل های بالاتر از 11، سوسپانسیون ها دارای پایداری کمتری هستند. این مسئله می تواند بوسیله ی مکانیزمی که اخیرا توسط Wang و همکارانش بر روی سطح آلومینا ارائه شده است، توضیح داده شود:
تحت پتانسیل بازی مانند پی اچ 11، AlOH تمایل دارد تا به تبدیل می شود. به هر حال حضور آب باعث می گردد تا واکنش بالا به سمت تشکیل پیش می رود نه تشکیل ؛ و در نتیجه مقدار مطلق پتانسیل زتا در پی اچ 2 بزرگتر از پی اچ 11 است. این مسئله منجر می شود تا پایداری سوسپانسیون در پی اچ های پایین تر نسبت به پی اچ های بالاتر، بیشتر باشد.
Zarbov و همکارانش تصدیق کردند که درحالی که نرخ رسوب دهی به طور مستقیم به پتانسیل زتا وابسته است، اثر یک چنین افزودنی نیز بوسیله ی اثر آن بر روی رسانایی یونی سوسپانسیون، اعمال می شود. رسانایی یونی افت پتانسیل را در بخش بالک سوسپانسیون تعیین می کند که این افت پتانسیل نیروی محرکه ی مورد نیاز برای انتقال ذرات به الکترود را تشکیل می دهد.

پایداری سوسپانسیون

الکتروفورزیز پدیده ای حرکت ذرات در داخل یک محلول کلوئیدی یا سوسپانسیون تحت میدان الکتریکی است و عموما وقتی این پدیده در فاصله ای که بار لایه ی دوگانه به صفر افت کند و بر نیروی حاصل از اندازه ی ذره غلبه کند. در این وضعیت، وقتی میدان اعمال می شود، ذرات به طور نسبی( نسبت به فاز مایع) حرکت می کنند. ذرات کلوئیدیی که دارای قطری 1 میکرونی یا کمتراز یک میکرون هستند، تمایل دارند تا برای دوره ای طولانی در سوسپانسیون باقی بمانند که علت این موضوع حرکت برونی آنهاست. ذرات بزرگتر از 1 میکرون، برای باقی ماندن در داخل سوسپانسیون نیازمند تلاطم هیدرودینامیکی مداوم هستند. پایداری سوسپانسیون بوسیله ی سرعت ته نشینی و تمایل به لخته شدن یا لخته نشدن، شناسایی می شود. سوسپانسیون های پایدار تمایلی به ته نشینی ندارد و به آرامی ته نشین می شود و رسوباتی پردانسیته و با چسبندگی بالایی را در عمق ظرف ایجاد می کند. سوسپانسیون های مستعد لخته شدن، به سرعت ته نشین می شوند و رسوبات با دانسیته ی پایین و با چسبندگی کمی را تولید می کند. اگر سوسپانسیون پایداری بسیار بالایی داشته باشد، نیروهای دافعه میان ذرات توسط میدان الکتریکی شکسته نمی شود و رسوب دهی رخ نمی دهد. با توجه به برخی از مدل های توسعه یافته برای رسوب دهی الکتروفورتیک، سوسپانسیون باید در مجاورت الکترودها ناپایدار باشد. این ناپایداری محلی می تواند بوسیله ی تشکیل یون های حاصل از الکترولیز یا دشار شدن ذرات، ایجاد شود( این یون ها سپس موجب تشکیل لخته در نزدیکی سطح الکترود می شود). این مفید است که پارامترهای فیزیکی/ شیمیایی مناسبی را پیدا کنیم که بوسیله ی آنها ویژگی های سوسپانسیون را به خوبی تشخیص دهیم، به نحوی که بتوان قابلیت تشکیل رسوب این سوسپانسیون قابل پیش بینی باشد. بیشتر پژوهشگران از زتا پتانسیل و موبیلیته ی الکتروفورتیک استفاده می کنند اما این پارامترها به طور منحصر به فرد قابلیت رسوب دهی یک سوسپانسیون را تعیین نمی کند. برای مثال در سوسپانسیون آلومینیوم در الکل، افزودن الکترولیت باعث ایجاد تغییر قابل توجهی در پتانسیل زتا نمی شود اما رسوبات می توانند تنها در حضور الکترولیت بدست آیند. بدیهی است که پایداری سوسپانسیون مهم ترین ویژگی آن است، اما این پارامتر یک پارامتر تجربی است که به طور نزدیکی به پارامترهای اساسی وابسته نیست.

پارامترهای مربوط به فرایند

اثر زمان رسوب دهی
Basu و همکارانش[41] فهمیدند که سرعت رسوب دهی برای یک میدان اعمالی ثابت با افزایش یا طولانی شدن زمان رسوب دهی، کاهش می یابد. مشاهدات مشابهی بوسیله ی Chen و Liu گزارش شده است. شکل 4 ویژگی های رسوب تشکیل شده از جنس ZnO را بر روی الکترود مسی نشان می دهد که در ولتاژهای مختلف و زمان های رسوب دهی مختلف، انجام شده است. این مسئله به وضوح مشخص است که رسوب دهی به طور خطی در طی زمان ابتدایی رسوب دهی با زمان در ارتباط است اما همین طور که زمان می گذرد، سرعت رسوب دهی کاهش یافته و در زمان رسوب دهی زیاد، حالت پایا پدید می آید.
در EPD با ولتاژ ثابت، این مسئله انتظار می رود زیرا در حالی که تفاوت پتانسیل میان الکترودها ثابت باقی می ماند، میدان الکتریکی مؤثر بر الکتروفورتیک با زمان رسوب دهی کاهش می یابد( شکل 5) زیرا یک لایه ی عایق از جنس ذرات سرامیکی بر روی الکترودها تشکیل می شود. اما در طی دوره ی اولیه ی EPD، یک رابطه ی خطی میان جرم رسوب و زمان برقرار است.

ولتاژ اعمال شده

به طور طبیعی، مقدار رسوب با افزایش پتانسیل اعمال شده، افزایش می یابد. شکل 6 وزن رسوب هیدروکسی آپاتیت رسوب کرده بر روی زیر لایه ی از سوسپانسیون آن در ایزوپروپیل الکل را نشان می دهد. اگرچه می توان با اعمال میدان بزرگتر، پودر را با سرعت بیشتری رسوب داد، کیفیت رسوب می تواند کاهش یابد. Basu و همکارانش فهمیدند که لایه های یکنواخت تر در حالتی ایجاد می شود که میدان اعمالی متوسط باشد ؛ در حالی که کیفیت لایه با اعمال ولتاژ بالا پایین می آید. به دلیل اینکه تشکیل لایه ی متشکل از ذرات ریز بر روی الکترود یک پدیده ی کینتیکی است، نرخ تجمع ذرات بر روی رفتار تراکم پذیری پوشش اثر می گذارد. برای یک میدان بزرگتر، که ممکن است باعث ایجاد جریان توربولانت در سوسپانسیون می شود، پوشش دهی ممکن است بوسیله ی جریان های بوجود آمده در اطراف محیط، تخریب شود( این تخریب حتی در طی رسوب دهی نیز رخ می دهد). علاوه بر این، ذرات می توانند بسیار سریع تر از آن چیزی حرکت کنند که زمان مناسب برای قرارگیری در موقعیت های مورد نظر را داشته باشند. در نهایت در وضعیت هایی که میدان اعمالی بزرگ است، حرکت جانبی ذرات در زمان رسوب دهی، همچنین به سطحی که هم اکنون لایه بر آن رسوب کرده است، محدود می شود زیرا پتانسیل اعمال شده ی بالاتر فشار بیشتری را بر شار و حرکت ذره اعمال می کند. این میدان اعمال شده بر روی نرخ رسوب دهی و ساختار رسوب اثر می گذارد.
Negishi و همکارانش مشاهده کردند که دانسیته ی جریان حلال n پروپانول در حضور هر پودری، با ولتاژ اعمال شده قابل مقایسه است و این مسئله با افزایش ولتاژهای اعمال شده، ناپایدار می شود( شکل 7). یک چنین داده های پایداری به عنوان خط مشی خوبی برای تصمیم گیری در مورد پارامترهای رسوب دهی و در نتیجه کیفیت رسوب ایجاد شده با روش EPD است. این مسئله در نظر گرفته شده است که دانسیته ی جریان ناپایدار بر روی کیفیت مرفولوژی رسوب اثر می گذارد. از نمودار دانسیته ی جریان که در شکل 7 نشان داده شده است، این پیشنهاد می شود که ولتاژ اعمال شده برای n پروپانول، باید کمتر از 100 باشد. این مشاهده شده است که مقدار رسوب YSZ از حمام n پروپانول با افزایش ولتاژ میدان اعمال شده، افزایش می یابد. به هر حال، مرفولوژی سطح رسوب در ولتاژهای پایین، مسطح است و این مرفولوژی با اعمال ولتاژهای بالاتر، خشن تر می شود.

غلظت جامد در سوسپانسیون

کسر حجمی جامد در سوسپانسیون نقش مهمی ایفا می کند، مخصوصا برای EPD چند جزئی. در برخی موارد، اگرچه هر گونه ی ذره ای دارای علامت یکسانی از بار سطحی است، آنها با سرعت های مختلفی رسوب می کنند که این سرعت به کسر حجمی جامدهای موجود در سوسپانسیون وابسته است. اگر کسر حجمی جامدها بالا باشد، پودرها با نرخ برابر رسوب می کنند. به هر حال اگر کسر حجمی جامدها پایین باشد، ذرات می توانند با سرعت هایی رسوب کنند که این سرعت ها با موبیلیته ی الکتروفورتیک تک تک آنها در ارتباط است.

رسانایی زیرلایه

یکنواختی و رسانایی الکترودهای زیرلایه یک پارامتر مهم است که اثر حیاتی در کیفیت رسوب خام ایجاد شده بوسیله ی EPD دارد. Peng و Liu[45] مشاهده کردند که رسانایی پایین زیرلایه ی منجر به تشکیل یک لایه ی خام غیر یکنواخت می گردد و سرعت رسوب دهی آن آهسته است. Chen و Liu اشاره می کنند که وقتی قرص های پرس شده از جنس LSM یا LSM-YSZ به عنوان زیرلایه در EPD مور استفاده قرار می گیرد، سرعت رسوب دهی YSZ پایین بوده است و لایه ای غیر یکنواخت حاصل می شود. این مسئله به دلیل مقاومت بالای زیرلایه ها بوجود می آید که نتیجه ای از افزودن بایندر می باشد. وقتی قرص ها در دمای 700 درجه سانتیگراد به مدت 0.5 ساعت حرارت داده می شوند، بایندر از بین می رود و درواقع رسانایی زیرلایه ها افزایش می یابد. در نتیجه لایه ی YSZ خام با کیفیت بالا حاصل می شود.
این مسئله از بحث های انجام شده در بالا واضح است که کینتیک رسوب دهی الکتروفورتیک و کیفیت رسوب تشکیل شده به تعداد پارامترهای زیادی وابسته است. بنابراین در طی فرایند رسوب دهی الکتروفورتیک، باید کنترل مناسبی بر روی این پارامترهای منفرد انجام شود. به هر حال بسیاری از این پارامترها با هم در ارتباطند. این مسئله باید مد نظر قرار گیرد که کیفیت رسوب دهی الکتروفورتیک به طور زیادی به شرایط سوسپانسیون وابسته است. عموما یک سوسپانسیون با پایداری مناسب در طی رسوب دهی باعث تشکیل رسوباتی بهتر می شود( در مقایسه با سوسپانسیون های غیر پایدار و لخته شونده). پتانسیل زتا یک پارامتر مهم است که به پایداری سوسپانسیون و موبیلته ی آن وابسته است. این پتانسیل تفاوت پتانسیل میان سطح ذرات و صفحه ی لایه ی برشی تشکیل شده بوسیله ی یون های جذب شده است. به دلیل اینکه پتانسیل زتا به طور نزدیکی به ضخامت لایه ی دوگانه ذرات وابسته است، از این رو این پارامتر اطلاعات مناسبی در مورد لخته شدن ذرات در سوسپانسیون به ما می دهد. عموما هر چه عدد مطلق پتانسیل زتای بالاتری در سوسپانسیون وجود داشته باشد، ذرات پراکندگی بهتری در محلول دارند. علاوه بر معیار پایداری، این مسئله باید مد نظر قرار گیرد که این یون های موجود در سوسپانسیون هستند که در طی اعمال میدان( در فرایند EPD)، میزان بالایی از جریان را انتقال می دهد. به عنوان یک نتیجه باید گفت که رسانایی الکتریکی سوسپانسیون همچنین نقشی اساسی در فرایند ایفا می کند. شکل 8 پتانسیل زتا و رسانایی الکتریکی سوسپانسیون سرب زیرکونات تیتانات( PZT) را به عنوا ن تابعی از pH نشان می دهد. این می تواند دیده شود که وقتی مقدار pH از 7.5 به 4.5 کاهش می یابد، مقدار پتانسیل زتا افزایش پیدا می کند. این مسئله به جذب یون های هیدروژن مثبت بر روی سطح ذرات نسبت داده می شود( که در واقع جذب این یون ها باعث افزایش نیروی دافعه می شود). به هر حال وقتی یون های هیدروژن بیشتری به سوسپانسیون اضافه می شود، یعنی pH از مقدار 4.5 به 2 می رسد، مقدار بیشتر یون های مثبت موجود باعث می شود تا ضخامت لایه ی دوگانه کاهش یابد و از این رو یک کاهش در نیروی دافعه میان ذرات حاصل می شود. این مسئله لخته شدن ذرات را بیشتر می کند و از این رو باعث ایجاد وضعیت می شود که در آن رسوب دهی ضعیف تراست. در گستره ی pH بازی، پدیده ای مشابه مشاهده می شود اما در این حالت جذب یون های را در سوسپانسیون داریم. به هر حال، این را باید ذکر کرد که در گستره ی قلیایی، پتانسیل زتای اندازه گیری شده، بسیار کمتر از حالت گستره ی اسیدی است. غلظت یونی نه تنها بر روی پتانسیل زتا اثر دارد، بلکه همچنین به طور نزدیکی با رسانایی الکتریکی سوسپانسیون در ارتباط است.
این مسئله را می توان در شکل 8 مشاهده نمود. در این شکل دیده می شود که وقتی غلظت در سوسپانسیون کم است، رسانایی الکتریکی کم است. به هر حال هنگامی که غلظت یونی در سوسپانسیون افزایش می یابد، رسانایی سوسپانسیون به سرعت افزایش می یابد. این فهمیده شده است که در غلظت های یونی بالاتر، نه تنها سرعت لخته شدن افزایش خواهد آمد و مقدار لخته ی بیشتری تولید می کنند، بلکه همچنین مقدار زیاد یون های آزاد در سوسپانسیون ممکن است بخش عمده ای از جریان را عبور داده و از این رو موبیلیته ی الکتروفورتیک ذرات کاهش می یابد. رسانایی سوسپانسیون همچنین به طور مستقیم با ثابت دی الکتریک محیط سوسپانسیون در ارتباط است و این عامل با افزایش ثابت دی الکتریک افزایش می یابد. از این رو انتخاب پارامترهای سوسپانسیون نیازمند خردمندی و دقت در فرایند آماده سازی سوسپانسیون است. اگر پارامترهای مربوط به سوسپانسیون ثابت باشد، پارامترهای فرایندی می توانند براحتی تغییر کند و بدین وسیله رسوب دهی مناسب حاصل شود. بدیهی است که پارامترهای مؤثرتر که بر روی رسوب دهی اثر می گذارند، پارامترهای فرایندی مانند ولتاژ اعمال شده، زمان رسوب دهی و غلطت ذرات موجود در سوسپانسیون است. همواره ولتاژ بالای اعمالی منجر به افزایش سرعت رسوب دهی می شود اما به منظور بدست آوردن رسوب یکنواخت باید دانسیته ی جریان پایدار باشد. به طور مشابه، با افزایش غلطت ذرات و زمان رسوب دهی، سرعت رسوب دهی بالاتر می رود.
 

/ج