پوشش ها و لایه های ضخیم ( Coatings and thick films) (2)

پوشش دهی چرخشی ( spin coatings)

پوشش دهی چرخشی مشابه پوشش دهی غوطه وری از یک محلول استفاده می کند که این محلول در اغلب موارد مخلوطی از آلکوکسیدهای فلزی است. ایده ی کلی این روش در شکل 1 نشان داده شده است. این فرایند به دو شکل انجام می شود:
 استاتیک( static)
 دینامیک( dynamic)
در فرایند چرخش استاتیک، حجم کمی از محلول بر روی زیر لایه ریخته می شود و اجازه داده می شود تا این محلول پخش شود و کل سطح را پوشش دهد. وقتی که مایع به قطر معینی برسد، سه نظام با سرعت قابل تنظیم تا 20000 دور در دقیقه، شتاب داده می شود.
در روش پوشش دهی چرخشی دینامیک، محلول بر روی سطح زیرلایه توزیع می شود. در هنگام این کار زیرلایه در حال چرخش در یک سرعت به نسبت پایین( مثلا 500دور بر دقیقه) است. پس از آنکه مایع بر روی سطح پخش شد، سرعت چرخش افزایش می یابد تا بتوان لایه ی نهایی را تولید کرد. فرایند چرخش دینامیک برای تولید پوشش های یکنواخت ( بر روی زیرلایه های با قطر زیاد) مناسب تر است.
پوشش دهی چرخشی تنها برای پوشش های تک لایه مصرف می شود و عموما تنها برای اشکال صفحه ای ساده مناسب است. همچنین چرخاندن اشیای بزرگ، عملی نیست. ضخامت پوشش به طور معکوس با سرعت زاویه ای( ) بخش چرخنده، تغییر می کند.ضخامت همچنین با ویسکوزیته ی محلول ( ) قابل مقایسه است. پوشش دهی چرخشی به طور گسترده در صنایع برای تولید پوشش های پلیمری استفاده می شود؛ مخصوصا رسوب دهی لایه های مقاوم در برابر نور پیش از ساخت وسایل نیمه رسانا. اگرچه این روش به ندرت برای تولید لایه های سرامیکی استفاده می شود، فرایندپوشش دهی چرخشی کاربردهایی در تولید لایه از مواد پیزوالکتریک برای سیستم های میکروالکترومکانیکی( MEMS) پیداکرده است.

اسپری کردن( Spraying)

تولید پوشش های سرامیکی بوسیله ی اسپری کردن یک فرایند صنعتی مهم است. به طور نمونه برای ایجاد پوشش های مقاوم حرارتی( thermal-barrier coatings) و پوشش های مقاوم به سایش از این فرایند استفاده می شود. چند نوع مختلف از فرایندهای اسپری کردن وجود دارد. در اسپری کردن حرارتی( thermal spraying) که در شکل 2 نشان داده شده است، پودر با گذر از میان شعله ی اکسی استیلن ذوب یا نرم می شود. یک نوع از فرایند اسپری حرارتی، پلاسما اسپری نامیده می شود. در پلاسما اسپری از یک منبع حرارتی پلاسما استفاده می شود که در شکل 3 نشان داده شده است. دمای پلاسما به طور نمونه وار از 28000 درجه ی سانتیگراد بالاتر است که این دما بسیار بالاتر از دماهای بوجود آمده از سوختن گاز است. سرعت پلاسما( یا سرعت جریان که در نازل بوجود می آید)معمولا زیر سرعت صوت است، اگرچه مشعل های پلاسمای با سرعت بالا با نازل های کوچک نیز وجود دارد. فرایندهای اسپری حرارتی عموما برای اعمال موادی مناسب است که در سیکل حرارت دهی ذوب شود یا به صورت پلاستیک در آید. البته شرط دیگر این است که ماده در دمای بالا تخریب نگردد.
پلاسما اسپری به طور گسترده در ایجاد پوشش های مقاوم در برابر سایش بر روی اجزای موتورهای دیزلی و برای تولید پوشش های مقاوم حرارتی بر روی فلزات مورد استفاده در موتورهای توربینی، کاربرد دارد. بازده موتورهای توربینی به ماکزیمم دمایی بستگی دارد که می توان پره های توربین را در طی فرایند مداوم در آن نگه داشت. اعمال یک پوشش سرامیکی ( که پوشش های مقاوم حرارتی نامیده می شود) بر روی یک فلز می تواند اجازه دهد تا دمای موتور بین 50 تا 200 درجه ی سانتیگراد افزایش یابد بدون آنکه دمای زیرلایه ی فلزی به حدی زیادی افزایش یابد. با این کار بازده موتور به طور چشمگیری ( تا حدود 12%) افزایش می یابد و صرفه جویی اقتصادی خوبی انجام می شود. پوشش های مقاوم حرارتی باید خواص زیر را داشته باشند:
 ضریب انبساط حرارتی بالا
 رسانایی حرارتی پایین
 پایداری شیمیایی در برابر محیط توربین گازی
 مقاومت به شک حرارتی
زیرکونیای پایدار شده با ایتریا( زیرکونیای با 8-6% ایتریا) یکی از موادی است که برای پوشش های مقاوم حرارتی مورد بررسی قرار گرفت. شکل 4 مثال شماتیک از برش عرضی یک چنین پوششی است. یک آلیاژ متشکل از Ni،Cr،Al و Y ( در شکل 4 این بخش پوشش متصل شده نامیده می شود) به عنوان یک لایه ی داخلی چسبنده میان پوشش سرامیکی و جزء فلزی ایجاد می گردد. اتصال دادن فلز و سرامیک یک موضوع ناچیز نیست و روشی که در اینجا بیان شد، تنها روشی است که ما در اینجا به آن اشاره کردیم.
ماده ای که اسپری می شود، می تواند یک محلول باشد که با فشار از میان تفنگ اسپری بر روی زیرلایه ی حرارت داده شده، پاشیده می شود. در این مورد، اسپری کردن حرارتی نیست و بیشتر مشابه اسپری کردن رنگ است. صنعت شیشه از این روش برای رسوب دادن لایه های رسانای SnO2 بر روی شیشه استفاده می کند.
رسوب دهی الکتروفورتیک( electrophoretic deposition)
الکتروفورز( electrophoresis) حرکت ذرات باردار از میان یک مایع تحت اثر میدان الکتریکی خارجی است. رسوب دهی الکتروفورتیک که بسیار شبیه به فرایند الکترودیپوزیشن( electrodeposition) مورد استفاده برای پوشش دهی لایه های فلزی است، را می توان برای ایجاد پوشش سرامیکی تا ضخامت 0.6 میلی متر بر روی زیرلایه های فلزی استفاده کرد. همانگونه که در شکل 5 دیده می شود، زیرلایه نقش یکی از الکترودها را در سلول الکتروشیمیایی ایفا می کند. مزیت اصلی رسوب دهی الکتروفورتیک این است که پوشش ها می تواند بر روی اشیاء غیر صفحه ای تشکیل شود.
ذراتی که پوشش را تشکیل می دهد، در مایع به صورت سوسپانسیون در می آیند که بر روی این ذرات بار سطحی وجود دارد. این باردار شدن ممکن است بوسیله ی جذب پروتن بر روی سطوح ذرات بوجود آید. وقتی ذرات با بار q در میدان الکتریکی(E) قرار می گیرد، نیروی F بر آن وارد می شود:
این نیرو ذرات را در جهت مخالف الکترودهای باردارشده، شتاب می دهدو این ذرات همچنین یک نیروی ممانعت کننده را از طریق اصطکاک با مایع، تجربه می کند. نیروی ممانعت کننده که به دلیل جریان ویسکوز پدید می آید( با توجه به قانون استوکس)عبارتست از:
که سرعت حدی است که ما می توانیم آن را به صورت زیر بنویسیم:
عبارت موبیلیتی( ) عبارتست از :
از معادله ی 5 ما انتظار داریم که موبیلیتی ذره برای ذرات کوچک در محلول با ویسکوزیته ی پایین، افزایش می یابد. این فرض به طور کامل، صحیح نیست. برای مثال موبیلیتی یون های در محلول آبی کمتر از یون های است، اگرچه و است. این تفاوت می تواند به خاطر اثر حلال، بوجود آید. مولکول های حلال می توانند در دور یون جمع شوند و و اثر اندازه ی مؤثر آن را افزایش دهد. یون های کوچک نسبه به یون های بزرگ، منبع قوی تری برای میدان های الکتریکی هستند. از این رو حلال پوشی در یون های کوچکتر، بیشتر است و این مسئله اندازه ی مؤثر بزرگتری به آنها می دهد و از این رو سرعت حرکت آنها کمتر می شود. یک اثر مشابه برای ذرات سرامیکی که از میان محلول( در طی رسوب دهی الکتروفورتیک) حرکت می کنند، رخ می دهد.
پتانسیل زتا ( ) که در شکل 6 نشان دهد شده است، پتانسیل ایجاده شده بر روی سطح ذره ی باردار در حال حرکت از میان مایع است.
نکته ی مهمی که از معادله ی 7 و 8 بدست می آید، این است که موبیلیتی با متناسب است. برای پوشش دهی سریع، ما لازم داریم از یک محلول مایعی استفاده کنیم که ثابت دی الکتریک بالایی دارد. مزیت استفاده از محلول های مایع واضح است؛ آب ثابت دی الکتریک بالایی دارد. ثابت های دی الکتریک برخی از مایعات دیگر در جدول 1 آورده شده است.
شکل 7 موبیلیتی الکتروفورتیک برای ذرات TiO2 در محلول های مایع پتاسیم نیترات( KNO3) نشان داده شده است. در این نمودار، دانسیته ی بار سطحی است، که با استفاده از روش Brunauer، Emmett و Teller( روش BET) اندازه گیری شده است. موبیلیتی تابعی از PH محلول است.
 در محلول های اسیدی، سطح ذرات TiO2 دارای بار مثبت است که این بار به دلیل جذب کاتیونی بوجود می آید.
 در محلول های بازی، ذرات پودری دارای بار منفی است. که این بار به دلیل جذب آنیون بوجود می آید.

در PH=5.9، موبیلیتی صفر است. این نقطه را به عنوان نقطه ی ایزوالکتریک( IEP) می نامنند. در IEP، پتانسیل زتا صفر است. جدول 2 ، IEPها را برای چندین اکسید مختلف نشان داده است. اکسیدهای اسیدی مانند SiO2 دارای IEPهای پایین و اکسیدهای بازی مانند MgO دارای IEPهای بالا هستند.