تریبولوژی پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی (1)

مقدمه

در سال های اخیر، علاقه ی زیادی در زمینه ی تولید و استفاده از پوشش های نانو ساختار و کامپوزیتی در بسیاری از صنایع بوجود آمده است. مخصوصا افزایش تقاضا در زمینه ی محصولات با دانسیته ی توان بالاتر، طراحی های متراکم تر، قابلیت اطمینان بیشتر، مصرف سوخت و مواد کمتر موجب شده تا ضرورت استفاده از چنین پوشش هایی بیشتر نمایان گردد. برای کاربردهای بسیاری، پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی می توانند اثرات زیادی ایجاد کنند. به دلیل خواص مکانیکی فوق العاده ی این مواد( مخصوصا سختی و تافنس فوق العاده ی آنها) و خنثی بودن شیمیایی آنها، این پوشش ها می توانند به طور قابل ملاحظه ای اصطکاک و اتلاف های حاصل از سایش را کاهش دهند و علاوه بر آن مقاومت به خستگی، خوردگی و ایروژن را افزایش دهند. این مسائل موجب می شود تا طول عمر مفید قطعه به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد. یک چنین پوشش هایی همچنین می توانند مقاومت قابل ملاحظه ای در برای تغییر شکل حاصل از ضربه و آسیب های ایجاد شده طی تماس با بارهای سنگین را ایجاد کنند. ساختار ایزوتروپ و نانو کریستالی این مواد ممکن است از ایجاد و رشد ترک تحت بارهای مماسی و نرمال، ممانعت کند.
تولید مواد نانوساختار و نانوکامپوزیتی( فلزی، سرامیکی و پلیمری) از زمان های دور انجام می شده است. همچنین ویژگی های فوق العاده ی این مواد جدید در شرایط مختلف نیز مورد بررسی قرار گرفته است. مخصوصا مواد کامپوزیتی و نانوساختار بر پایه ی سرامیک اخیرا در بسیاری از کاربردهای متداول شده است. یکی از دغدغه های خاص، هزینه ی تولید به نسبت بالای نانو پودرهای مورد استفاده در تولید این اجزا می باشد. با اینحال، چند نوع از محصولات سرامیکی نانوساختار اخیرا تولید شده و در اتومبیل سازی، ماشین کاری و زمینه های بیولوژیکی مورد استفاده قرار گرفته است. برای مثال، تولید فنرهای با استحکام بالا، یاتاقان ها، انژکتورهای سوخت و شیرهای مسدود کننده برای استفاده در کاربردهای اتومبیل سازی نشان داده است که این مواد دارای ویژگی های مکانیکی، تریبولوژیکی و شیمیایی فوق العاده ای هستند. در آینده ی نزدیک، این انتظار وجود دارد که محصولات سرامیکی نانو ساختار دارای کاربردهای زیادی باشند. این کاربردها مخصوصا در زمینه ی پزشکی، ابزارآلات برش، سنسورها، پیل های سوختی، زیرلایه های الکترونیکی، پوشش های ضد سایش، مواد نوری و کاتالیست ها ایجاد می شود.
تولید پوشش های نانو ساختار و نانو کامپوزیتی با استفاده از یک سری از سیستم های رسوب دهی تحت خلا انجام می شود. این سیستم ها از چندین دهه ی پیش وجود داشته اند. این پوشش ها نسبت به تولید مواد بالک نانو کامپوزیتی ارزان قیمت تر هستند. این پوشش ها را می توان بر روی بسیاری از زیرلایه های فلزی و سرامیکی ایجاد نمود. در حقیقت، با پیشرفت های اخیر در زمینه ی مهندسی سطح و تکنولوژی های پوشش دهی، اعمال پوشش های نانو ساختار بر روی بسیاری از زیرلایه ها متداول و تسهیل شده است. برخی از پوشش های نانو ساختاری که اخیرا تولید شده اند، ممکن است علاوه بر سختی، دارای ویژگی های خود روان سازی نیز باشند. این مسئله موجب می شود تا این مواد برای استفاده در کاربردهای تریبولوژیکی مناسب باشند. برای مثال، اخیرا فیلم های کربنی نانو ساختاری مانند الماس نانو کریستال و کربن مشتق شده از کاربیدها، تولید شده اند که دارای خواصی مشابه با پوشش های چند جزئی نانو کامپوزیتی تولید شده از مواد نیتریدی، کاربیدی و برایدی هستند. این پوشش های جدید می توانند همچنین ویژگی های مکانیکی، نوری، مغناطیسی، بیولوژیکی، الکترونیکی، کاتالیستی و صوتی فوق العاده ای ایجاد کنند که این ویژگی ها برای استفاده در بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب می باشند.
در برخی کاربردهای کنونی، استفاده از روان سازی مایع مناسب نمی باشد. علت اصلی این موضوع افزایش قوانین محیط زیستی در این زمینه می باشد. این درحالی است که در سایر کاربردها، تغییر شدیدی در بارگذاری، سرعت های مختلف بارگذاری و دمای بالا محیطی ایجاد می شود که تحت آن، مواد و یا پوشش های کنونی توانایی تحمل ندارند. برای مثال، ماشین کاری خشک و شکل دهی گرم اجزا و بخش های ماشین یکی از بخش هایی است که تحت آن، این شرایط ایجاد می گردد.
پوشش های نانوساختار و کامپوزیتی می تواند به گونه ای فرموله شوند که در واقع بتوانند ظرفیت تحمل بار خود را در سطوح لغزشی افزایش دهند و با این کار، مقاومت آنها در برابر خراش افزایش می یابد. برخی ملاحظات ابداعی در زمینه ی طراحی پوشش های نانو ساختار با عملکرد چندگانه مانند بخش های نانویی، ابر شبکه ها یا فیلم های چند لایه موجب شده است تا خواص این بخش ها در شرایط کاری بد حفظ گردد. این مسئله همچنین امکان پذیر است که پوشش های نانو کامپوزیتی طراحی گردد که سطح خارجی آنها هم خود روان ساز باشد و هم خود ترمیم کننده. این کار موجب می شود تا خاصیت خود روان سازی این سطوح افزایش یابد. می توان همچنین یک پوشش چند جزئی ایجاد نمود که خود را با تغییرات محیطی و شرایط موجود در یک کاربرد، تطابق دهد. برای مثال، در یک چنین فیلم هایی، در حالی که یکی از اجزا خاصیت روان سازی ایجاد می کند، اجزای دیگر ممکن است مقاومت به سایش را فراهم آورند. به طور مشابه، یک فاز می تواند در حالی که فازی فعال است و هم خاصیت مقاومت به سایش و روان سازی را در دمای اتاق، فراهم می آورد، فاز دیگر ممکن است در دماهای بالا فعال شود. شکل 1 به طور شماتیک برخی از معماری های طراحی شده را نشان می دهد که برای اکثر فیلم های نانو ساختار و کامپوزیتی مورد استفاده قرار می گیرد.
مطالعات تجربی اخیر نشان داده است که برخی از مزیت های کلیدی پوشش های نانو ساختار نسبت به پوشش های متداول معمولی مخصوصا در کاربردهای تریبولوژیکی، سختی مکانیکی فوق العاده، قابلیت ارتجاعی و تافنس بالا، مقاومت بالا در برابر خستگی، اکسیداسیون و خوردگی، اصطکاک کم و تمایل بیشتر برای خود روان سازی بر روی سطوح لغزشی می باشد. برخی پوشش های نانو ساختار به طور خاص برای کاهش اصطکاک بر روی سطوح لغزشی، طراحی شده اند. یک چنین نانو کامپوزیت هایی اغلبا خود روان ساز نامیده می شوند و برای ماشین کاری خام و کاربردهای تولیدی مناسب می باشند.
روان سازهای مایع برای قرن های متمادی است که وجود دارند. ما با این مواد در زندگی روزمره ی خود مواجه هستیم. یکی از مثال های متداول از این مواد در خودروی اتومبیل قابل مشاهده می باشد. افزودنی های بهبود دهنده ی این مواد روان سازها به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است و این به نظر می رسد که بهبودهای دیگر در این بخش محتمل نباشد. البته این مسئله باید تذکر داده شود که وضعیت اصطکاکی و سایشی این بخش ها در دماها و بارهای اعمالی بالا، متفاوت می باشد. به هر حال، طراحی پوشش ها و نانو مواد جدید برای استفاده در این مواد روان ساز مایع وجود دارد. با استفاده از این مواد افزودنی، می توان ویژگی های این روان سازهای مایع را بهبود داد. این پوشش ها می تواند به عنوان پوشش های هوشمند یا پوشش های سازگار تریبولوژیکی، در نظر گرفته شود. علت این موضوع سازگارپذیری مناسب این مواد با محیط های آزمون روان سازی می باشد. یک چنین پوشش های نانو کامپوزیتی ممکن است برای استفاده در سیستم های روان ساز نسل جدید مورد استفاده قرار گیرد.
این مقاله یک مرور در زمینه ی پیشرفت های اخیر در زمینه ی پوشش های نانو کامپوزیتی و نانوساختاری ارائه کرده است که در سال های اخیر توجه خاصی را به خود اختصاص داده اند. وقتی این پوشش ها به طور مناسب اعمال شوند، می توانند اثرات مثبت فراوانی را داشته باشند که از این خصلت های مثبت در گستره ای از کاربردهای صنعتی استفاده می شود. این کاربردها عبارتند از فرایند های تولید، انتقال، هوافضا، تکنولوژی اطلاعات و بیولوژی. مثال های ویژه ای از این کاربردها بیان شده است تا بدین وسیله کارایی فوق العاده و قابلیت اطمینان یک چنین پوشش هایی تحت شرایط تریبولوژیکی و مکانیکی مختلف، نشان داده شود. تمرکز اصلی بر روی توسعه های اخیر در زمینه ی تولید و استفاده از پوشش های ابر سخت و با اصطکاک اندک قرار داده شده است. مکانیزم های تریبولوژیک اصلی که رفتارهای سایشی و اصطکاکی را توجیه می کنند، نیز مورد بررسی قرار گرفته است. این مسئله فهمیده شده است که شرایط کاری سیستم های تریبولوژیکی آینده نسبت به سیستم های گذشته دارای چالش های بیشتری هستند. برای حل این چالش ها، محققین باید پوشش های نامتعارف تری را توسعه دهند تا بدین وسیله بتوانند کارایی و قابلیت اطمینان این مواد را تحت شرایط کاربردی ناملایم بالا ببرند. سرانجام، این مسئله مناسب است که پوشش های کامپوزیتی و نانو ساختاری ایجاد کنیم که بتوانند تحت شرایط کاری خاص، مقاوم باشند. به هر حال، توسعه ی چنین پوشش هایی در آینده ی نزدیک قابل انجام نمی باشد و مشکل است که با تکنولوژی های کنونی بتوان این مواد را تولید نمود.
در بخش های بعدی، ما یک بررسی کوتاه در زمینه ی پیشرفت های اخیر در زمینه ی تکنولوژی های رسوب دهی آورده ایم که از این روش ها می توان در تولید پوشش های کامپوزیتی و نانو ساختار استفاده کنیم. این پیشرفت ها برای توسعه و طراحی فیلم های کامپوزیتی و نانو ساختار ضروری است. بعد از این بخش، ویژگی های ساختاری و مکانیکی که برای بهبود تریبولوژیکی ضروری است، مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت، جنبه های آینده ی یک چنین فیلم هایی بعدا مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

پیشرفت های اخیر در زمینه ی تکنولوژی های رسوب دهی

در طی سال ها، پیشرفت های قابل ملاحظه ای در فرایند های رسوب دهی شیمیایی و فیزیکی از فاز بخار به منظور توسعه ی پوشش های تریبولوژیکی، ایجاد شده است. برخی از این توسعه ها به طور زیادی در هندبوک ها و مقالات مورد بررسی قرار گرفته اند. تطبیق پذیری تکنیک های رسوب دهی فیزیکی و شیمیایی از فاز بخار( PVD و CVD) مانند روش کند و پاش، روش پوشش دهی یونی، روش PVD قوسی- کاتدی، روش رسوب دهی لیزر پالسی( PLD)، روش رسوب دهی با کمک باریکه ی یونی( IBAD)، روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار با کمک پلاسما( PECVD) در سال های اخیر موجب شده است تا بتوان پوشش های جدید با ریزساختار و ترکیب شیمیایی پیچیده ایجاد نمود. در حقیقت، تکنیک های پوشش دهی کنونی امکان طراحی و تولید پوشش های جدید با عملکردهای قابل توجه را فراهم می آورد. به طور نمونه وار، روش های کندوپاش مگنترونی و PVD قوسی- کاتدی به طور گسترده بوسیله ی صنعت برای رسوب دهی پوشش های کامپوزیتی و نانو ساختار مورد استفاده قرار می گیرد. تکنیک های PLD و IBAD نیز در تولید این پوشش ها مورد استفاده قرار می گیرد. به طور نمونه وار، PLD یک ابزار تحقیقاتی متداول است و با ورود منابع لیزری فمتو ثانیه ای، کنترل فرایند تبخیر به طور مناسب تری انجام می شود. شکل 2 به طور شماتیک دو سیستم PVD پیشرفته را نشان می دهد که از آنها برای تولید فیلم های کامپوزیتی و نانوساختار با معماری های چند فازی یا چند لایه ای و ابر شبکه ای استفاده می شود.

فرایندهای رسوب دهی هیبریدی

تکنولوژی های رسوب دهی که در تولید پوشش های کامپوزیتی و نانو ساختار مورد استفاده قرار می گیرد، از ترکیب دو روش اشاره شده در بالا یا تعداد بیشتر، استفاده می کنند. این روش ها به فرایند های هیبریدی معروف هستند. برخی از آنها می توانند برای نیتریداسیون و کربوریزاسیون مواد زیرلایه، پیش از رسوب دهی، مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از فرایند های هیبریدی ایده ی خوبی برای تولید پوشش های مضاعف، چندگانه یا ابر شبکه می باشد. در این فرایند ها، شکل فیزیکی یا معماری سیستم های رسوب دهی متداول به طور زیادی تغییر نمی کند، اما تارگت های اضافی و منابع توان مناسبی به سیستم پوشش دهی اضافه می شود. برای مثال، در تولید فیلم های نانو کامپوزیتی یا چند لایه ای Cr، Ti، W و یا کربن، تکنیک های کندوپاش و PVD قوسی( شکل 2) ممکن است به تنهایی و یا همزمان مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، لایه های Cr نانو مقیاس به طور متناوب با لایه های کربن نانو مقیاس( شکل 3a) یا دانه های Ti یا W قرار گرفته شده در داخل زمینه ی آمورف از فیلم های کربن الماس مانند( DLC) تولید شده اند. تصاویر TEM این لایه ها در شکل 3 نشان داده شده است.
در سال های اخیر، پوشش های چند لایه متداول شده اند. به دلیل ساختار لایه ای آنها، این پوشش ها تافنس بالاتری ایجاد می کنند و علاوه بر آن سختی مکانیکی و ویژگی های تریبولوژیکی این مواد نیز قابل توجه است. با استفاده از روش های ابداعی، امکان تولید پوششی وجود دارد که این پوشش امکان ماشین کاری خشک وجود دارد. مواد و اجزای مورد استفاده در هر لایه ممکن است به خودی خود موادی روان ساز باشند و بنابراین استفاده از آنها ابزارهایی را فراهم می آورد که قادرند بدون روان سازی اضافی کار کنند. این پوشش ها ممکن است همچنین در زمینه های دیگر مانند حمل و نقل و هوافضا نیز کاربرد داشته باشند. در بخش تولید و حمل و نقل، کاهش مصرف روغن و سایر افزودنی های روغنی می تواند مشکلات محیط زیستی را کاهش دهد. المان های پوشش داده شده ی خود روان ساز، که برای ماشین کاری مورد استفاده قرار می گیرند، می توانند اثرات مثبت زیادی بر روی این کاربردها داشته باشند.

پارامترهای فرایندی و کنترلی

انتخاب و کنترل مناسب چندین پارامتر رسوب دهی، برای سنتز موفق فیلم های کامپوزیتی و نانوساختار مهم می باشد. علاوه بر این، کنترل مناسب برخی از این پارامترها برای حفظ یکپارچگی شیمیایی، ساختاری و مکانیکی زیرلایه ها ضروری است. برای مثال برخی از مواد مهندسی عمده مانند ابزارآلات ماشین کاری یا قالب های شکل دهی فلز ممکن است اگر آنها در دماهای بالا قرار داده شوند، نرم شوند. به هر حال، بیشتر فرایند رسوب دهی( به طور نمونه وار CVD) از دماهای بالا بهره می گیرند. این دماهای بالا ممکن است موجب نرم شوندگی زیر لایه ها شوند. این نرم شوندگی به خاطر تغییرات ریزساختاری ایجاد می شود و بنابراین خواص مکانیکی این زیرلایه ها کاهش می یابد. برای برخی از فولادهای تندبر، آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و کاربیدهای سمنته و سرامیک ها، دماهای رسوب دهی تا 450℃ ممکن است. به هر حال، برخی از آلیاژهای غیر آهنی مانند آلیاژهای بر پایه ی آلومینیوم و منیزیم ممکن است توانایی تحمل یک چنین دماهایی را نداشته باشند. امروزه، این آلیاژها به طور گسترده در کاربردهای اتومبیل سازی مورد استفاده قرار می گیرند( عمدتا به خاطر سبک بودن آنها)؛ اما کاربرد یک پوشش PVD یا CVD بر روی آنها ممکن است نیازمند ملاحظات خاص خود باشد. یکی دیگر از مشکلات بالقوه در روش CVD این است که گازهایی که به عنوان ماده ی اولیه مورد استفاده قرار می گیرند، دارای مشکلات زیست محیطی هستند و معمولا گازهایی سمی می باشند.
در سال های اخیر، با افزایش بازده یونیزاسیون و دانسیته ی جریان پلاسمایی در سیستم های PVD پیشرفته، این مسئله ممکن شده است که در طی ایجاد پوشش های کاربیدی و نیتریدی، زیرلایه در دماهای بسیار پایین نگه داشته شود. روش PVD قوسی- کاتدی و روش پوشش دهی کندوپاشی مگنترونی غیر تعادلی (با میدان بسته) به دلیل بازده یونیزاسیون بالای آنها معروف هستند. در سال های اخیر، فرایندهای کندوپاش مگنترونی- پلاسمایی با توان بالا نیز توسعه یافته اند و با استفاده از آنها بازده یونیزاسیون و دانسیته ی پلاسمایی بالا ایجاد شده است. هر دو فرایند ممکن است قابلیت اچ پلاسمایی را پیش از پوشش دهی دارند. با این کار پیوند محکمی میان فیلم و زیرلایه ایجاد می شود.

پوشش های مدرن

رسوب دهی فیزیکی و شیمیایی از فاز بخار امروزه به طور گسترده در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرد. برخی از این فرایندهای پوشش دهی برای پوشش دهی نمونه های مسطح مانند دیسک های سخت مغناطیسی و شیشه های پنجره مناسبند؛ در حالی که برخی دیگر از آنها را می توان برای پوشش دهی اشکال پیچیده ی سه بعدی مانند بخش های برنده ی فلزی، ابزارآلات شکل دهی فلز و بخش های اتومبیل، استفاده کرد. فرایندهای کندوپاش مگنترونی صفحه ای به خط دید وابسته اند. بنابراین این فرایندها برای پوشش دهی نمونه های مسطح مناسب است. رسوب دهی با کمک باریکه ی یونی، مخلوط شوندگی با استفاده از باریکه ی یونی و روش PLD می تواند برای تولید پوشش های با کیفیت بالا بر روی زیرلایه های فلزی یا سرامیکی مورد استفاده قرار گیرد. اکثر روش های CVD، پوشش دهی یونی و PVD قوسی چند کاتدی و سیستم های کندوپاش مگنترونی غیر تعادلی برای پوشش دهی نمونه های سه بعدی مورد استفاده قرار می گیرند. بازده یونیزاسیون بالا و ذرات پر انرژی که در این روش تولید می شوند، این اطمینان را ایجاد می کند که چسبندگی بالایی میان زیرلایه و پوشش ایجاد می شود. علاوه بر این، سایر مزیت های این روش عبارتست از مرفولوژی متراکم فیلم و استوکیومتری شیمیایی کامل( حتی در دماهای رسوب دهی پایین). یون های پر انرژی تولید شده در این روش ها موبیلیته ی اتم های اضافه شده به سطح و بنابراین نفوذ بالک آنها را افزایش می دهد. این مسئله می تواند به طور مثبت بر روی جوانه زنی و رشد این فیلم ها اثرگذار باشد و موجب جهت گیری رشد کریستالوگرافی( ایجاد بافت) در این پوشش ها می شود. در بین این روش ها، سیستم های پوشش دهی بر پایه ی پلیتینگ یونی، PVD قوسی- چند کاتدی و کندوپاش مگنترونی در سال های اخیر صنعتی شده اند. نگهدارنده های زیرلایه ی چند مرحله ای و با توانایی چرخش در جهات مختلف نیز یکنواختی مناسبی در فیلم ها ایجاد می کند و میزان دقت استوکیومتری را افزایش می دهد.
علاوه بر فرایندهای پیشرفته ی PVD که در بالا به آنها اشاره کردیم، فرایندهای CVD به کمک پلاسما در سال های اخیر بسیار متداول شده است و از آنها برای رسوب دهی گستره ی وسیعی از پوشش های با عملکرد بالا استفاده می شود. اولین مثال ها از این پوشش ها، فیلم های DLC تولید شده با روش PECVD در دمای اتاق و یا دمای بالاتر از 300℃ می باشد. یکی دیگر از مثال ها از اینگونه پوشش ها، فیلم های الماسی کریستالی است که بوسیله ی فرایند CVD میکرو ویو یا المان گرم در دمای بالا( یعنی 600 تا 1000℃) تولید می شوند. از بین روش های دیگر، PECVD به طور گسترده برای تولید فیلم های کربنی نانو کامپوزیتی مورد استفاده قرار می گیرد. در این فیلم ها کربن زمینه را تشکیل می دهد در حالی که فازهای نانو کریستالی از کاربید فلزات انتقالی فاز پراکنده شده را تشکیل می دهند. CVD میکروویو که از پلاسمای متان- هیدروژن استفاده می کند، برای سنتز فیلم های الماسی در دمای بسیار بالا، استفاده می شود. همچنین روشی مشابه برای تولید فیلم های الماسی نانو کریستالی با اندازه ی دانه ی 2 تا 6 نانومتر مورد استفاده قرار می گیرد. در مورد تولید این فیلم ها، از آرگون به جای هیدروژن در پلاسما استفاده می شود.
بیشتر فرایند های PVD و CVD اشاره شده در بالا، می توانند برای تولید حجم بالایی از مواد مورد استفاده قرار گیرد. به هرحال، توجهات خاصی باید به عمل آید تا اطمینان حاصل گردد که کیفیت پوشش از یک دفعه تولید با دفعه ی دیگر متفاوت نباشد. این مسئله را نیز باید مد نظر داشت که دمای مورد استفاده پایدار باشد و پوششی یکنواخت بر روی نمونه ی کار ایجاد شود. با استفاده از فرایند های رسوب دهی هیبریدی در یک سیستم، انعطاف پذیری بیشتری در طراحی و تولید پوشش های جدید، حاصل می شود. به طور خاص، سیستم های رسوب دهی هیبریدی ایجاد شده بر پایه ی کندوپاش مگنترونی و قوسی- کاتدی اخیر متداول تر شده اند. این روش ها نه تنها برای تمیزکاری سطح زیرلایه ها مورد استفاده قرار می گیرد، بلکه همچنین از آنها برای ایجاد یک سطح واسط مدرج استفاده نمود. وجود این سطح واسط می تواند منجر به ایجاد پیوندی قوی می گردد. سیستم های رسوب دهی هیبریدی چند کاتدی هم اکنون برای تولید پوشش های چند لایه یا نانویی مورد استفاده قرار می گیرد. این پوشش ها دارای اصطکاک اندکی بوده و مقاومت به سایش بسیار بالایی دارند. یک چنین پوشش هایی همچنین می تواند قابلیت اطمینان بالاتری را در هنگام استفاده از آنها در ماشین کاری و شکل دهی فلزات فراهم آورد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.