پوشش های سرامیکی تولید شده با روش رسوب دهی الکتروفورتیک (2)

یکی از کاربردهای مورد توجه فرایند اتصال واکنشی بوسیله ی Hang بهینه سازی شده است. این فرد با ترکیب روش EPD و اتصال واکنشی، یک پوشش هدفمند بر پایه ی هیدروکسی آپاتیت، تولید کرد. هیدروکسی آپاتیت به طور گسترده برای کابردهای بیولوژیکی مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته است. علت استفاده از این ماده، خاصیت زیست سازگار پذیری و امکان ایجاد اتصال با استخوان ها می باشد. EPD به طور بالقوه یک روش جذاب برای تولید پوشش های هیدروکسی آپاتیت بر روی زیرلایه های تیتانیومی است اما اغلب استحکام اتصال میان پوشش ها EPD و زیرلایه به حد کافی بالا نیست تا بتوان از این پوشش ها در کاربردها ی بالینی استفاده کرد. علاوه بر این، یک مشکل عدیده زینترینگ این پوشش هاست. در حقیقت، وقتی دمای بالا مورد استفاده قرار گیرد، زیرلایه تخریب می شود و هیدروکسی آپاتیت نیز تخریب می شود. از این رو دمای زینترینگ باید به طور ایده آل زیر 1000 باشد. البته این دما برای حصول استحکام مناسب در هیدروکسی آپاتیت نیز کافی نمی باشد. به عبارت دیگر، ضریب انبساط حرارتی زیرلایه ی تیتانیومی بسیار کمتر از ضریب انبساط حرارتی هیدروکسی آپاتیت است بنابراین، یک عدم تطابق زیاد میان این دو لایه بوجود می آید. علاوه بر این، یک انقباض پخت قابل توجه در طی زینترینگ این لایه ها ایجاد می شود که می تواند منجر به تشکیل ترک در پوشش شود.
به عنوان یک راه حل، پوشش های کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت- آلومینا با ترکیبی از فرآیندهای EPD و اتصال واکنشی در دمایی در حدود ℃ 850 تولید شده اند. آلومینای با اتصال واکنشی که دارای ضریب انبساط حرارتی نسبتا پایین تری است، در پوشش های هیدروکسی آپاتیت وارد می شود و از این رو موجب جبران شدن تفاوت ضریب انبساط حرارتی میان زیرلایه و هیدروکسی آپاتیت می شود.
همچنین، رسوب دهی الکتروفورتیک و فرایند اتصال واکنشی به طور موفقیت آمیز ترکیب شده و برای تولید پوشش های هدفمند هیدروکسی آپاتیت بر روی زیرلایه ی تیتانیومی مورد استفاده قرار گرفته است. این پوشش ها در دمای ℃ 850 زینتر شده است. پوشش های هدفمند هیدروکسی آپاتیت یکنواخت و بدون ترک هستند و دارای ریزساختار و ترکیب شیمیایی گرادیانی در سطح مقطع هستند. میزان هیدروکسی آپاتیت به صورت گرادیانی از بخش داخلی پوشش به سطح خارجی، افزایش می یابد. همچنین دانسیته ی این پوشش ها از بخش داخلی به بخش خارجی، افزایش می یابد. این کامپوزیت ها هم دارای خواص مکانیکی تیتانیوم و هم کارایی بیولوژیک سرامیک های هیدروکسی آپاتیت هستند.
حرارت دهی میکروویو یک روش کاملا متفاوت نسبت به روش های حرارت دهی معمولی است. مزدوج شدن مستقیم انرژی با یک ماده ی دارای اتلاف دی الکتریک، موجب می شود تا نمونه به سرعت گرم شود. سرعت های حرارت دهی و سرمایش نمونه وار در این روش، چند صد درجه سلسیوس بر دقیقه است که خیلی بالاتر از سرعت های حرارت دهی و سرمایش با روش های حرارت دهی معمولی است. این مسئله می تواند دارای چندین مزیت باشد. این مزیت ها مخصوصا در زمانی جلوه می کند که دماها و زمان های متداول موجب تخریب زیرلایه می شود.
ترکیب روش های EPD و زینترینگ میکروویو بوسیله ی Streckert در سال 1997 برای تولید کامپوزیت های SiC مورد استفاده قرار گرفته است. بعد از اینفیلتراسیون پودر SiC بوسیله ی EPD، زینترینگ میکروویو در فرکانس 2.45 GHz تحت مخلوطی از گازهای نیتروژن و هیدروژن، انجام شده است. با اعمال یک بار در طی حرارت دهی میکروویو، دانسیته ی بالایی در این کامپوزیت حاصل می شود. بنابراین، استفاده ی ترکیبی از روش های EPD و زینترینگ میکروویو دارای قابلیت تولید کامپوزیت های با کیفیت بالا و سرعت تولید بالا می باشد. این روش، روشی سریع است و به خاطر اینکه ادوات مورد نیاز ساده است، این روش، روشی اقتصادی است.
پوشش های کامپوزیتی یکنواخت و با دانسیته ی بالا از جنس آلومینا- YSZ بر روی زیرلایه ی سوپرآلیاژ پایه ی نیکل (با روش سل ژل) ایجاد شده است. این تولید بوسیله ی Ren و همکارانش در سال 2010 انجام شده است. این پوشش های کامپوزیتی ابتدا به روش الکتروفورتیک از سوسپانسیون های دارای اکسید آلومینای نانومتری و ذرات میکرومتری YSZ، تولید شده اند و سپس به روش زینترینگ میکروویو فیلتراسیونی تحت فشار (PFMS)، زینتر شده اند. سوسپانسیون های با چند درصد جرمی آلومینا برای تولید رسوبات ضخیم به روش EPD مورد استفاده قرار می گیرد. بعد از خشک کردن پوشش به مدت 24 ساعت در دمای اتاق، رسوبات خام در یک آون میکروویو 2.24 GHz به مدت 10 دقیقه، زینتر شدند. وقتی نسبت جرمی پودر سرامیکی یا اکسید آلومینیوم کمترین مقدار بود، ساختار دارای میکرو ترک، تخلخل و ساختار گرانولی بود. به طور عکس، در ماکزیمم نسبت جرمی، پوشش دانسیته ی بالایی داشته بدون اینکه ترک در ساختار پوشش وجود داشته باشد. ساختار پوشش در این حالت از ذرات زیرکونیایی تشکیل شده است که در داخل ذرات نانوسایز آلومینا پراکنده شده اند. علاوه بر این، هیچ عیبی در سطح مسترک مشاهده نشده است. این مسئله نشاندهنده ی تطابق مناسب انبساط گرمایی میان پوشش و زیرلایه است. بر طبق ادعای Ren، حرارت دهی میکروویو و تحت فشار، برای تولید پوشش های کامپوزیتی YSZ- آلومینا در دمای نسبتا پایین، مناسب است. در حقیقت، اثر ترکیبی فشار و فیلتراسیون در فرایند PFMS موجب می شود تا انقباض پوشش در سه بعد ایجاد شود و بنابراین، میزان میکروترک های ایجاد شده در این حالت، مینیمم است و چسبندگی زیرلایه به پوشش نیز بهبود می یابد. علاوه بر این، استفاده از آلفا آلومینای نانوسایز دمای استحاله ی فازی و کریستالیزاسیون را کاهش می دهد.
عموما، استفاده از سوسپانسیون های سل ژلی برای فرایند EPD دارای دو مزیت است: یکی اینکه استفاده از سوسپانسیون های سل ژلی، امکان تولید رسوبات ضخیم تر را به ما می دهد. دومین مورد این است که استفاده از این روش، دمای مورد نیاز برای زینترینگ را کاهش می دهد. روش EPD سل ژلی برای تولید پوشش های محافظ در برابر خوردگی بر روی فلزات، مناسب است. Castro در سال 2004 از نانوذرات سیلیس که با استفاده از سل سیلیس تولید شده بودند، برای افزایش ضخامت پوشش بدون افزایش دمای زینترینگ، استفاده کرد. سپس این سوسپانسیون آلی- غیر آلی برای تولید پوشش های EPD با ضخامت 5 میکرون استفاده شد. بعد از زینترینگ در دمای ℃ 500 به مدت 30 دقیقه، این پوشش ها دارای مقاومت به خوردگی خوبی می شوند.
Laubershiemer در سال 1998 رسوبی از جنس سرب- زیرکونات- تیتانات (PZT) را با استفاده از روش EPD و استفاده از یک پیش ماده ی مایع تولید کرد. این رسوب با توجه به روش اصلاح شده ی سل ژل که قبلا معرفی شد، تولید شد. علاوه بر مزیت های اشاره شده در قبل، این نکته قابل توجه است که فرایند سل ژل نسبت به روش معمولی دارای مزیت هایی از جمله خلوص بالاتر و کنترل بهتر بر روی ترکیب شیمیایی می باشد. دمای این فرآیند پایین تر است و میزان یکنواختی ساختار نیز در این روش بالاست. برای بدست آوردن اجزای میکرونی از PZT، Laubershiemer از یک ژل پلیمری در سنتز پیش ماده استفاده نمود. بعد از انجام EPD در یک قالب میکروساختار، سل مورد استفاده ژله ای شد و یک بدنه ی ژله ای تشکیل شد. فرایند سخت شدن پلیمر با استفاده از تابش نور فرابنفش انجام شد. بعد از خشک شدن و جداسازی قالب، یک عملیات حرارتی در دمای ℃ 550 در یک کوره انجام شد تا جزء سرامیکی ایجاد گردد. افزودن عوامل با قابلیت پلیمریزاسیون، اجازه ی ایجاد شبکه ای آلی در یک شبکه ی غیر آلی، وجود دارد. این مسئله ریسک تشکیل ترک را کاهش و در نتیجه موجب افزایش پایداری مکانیکی بدنه ی ژله ای می شود. این نشان داده شده است که این روش برای تولید اجزای میکرویی بر پایه ی مواد سرامیکی، وجود دارد.
شکل 1 شماتیک عملیات EB را در سطح پوشش زیرکونیا- آلومینای تولید شده با EPD نشان می دهد. تصویر SEM همچنین نقاط داخل و خارج مسیر EB را نشان می دهد. مسیر EB دارای کنتراست متفاوت نسبت به پوشش عمل آوری نشده، دارد. در داخل مسیر EB، دانه ها تراکم بیشتری نسبت به مسیرهای خارجی، دارد.
یک روش دیگر که به طور موفقیت آمیز برای افزایش دانسیته ی رسوبات تولیدی با روش الکتروفورتیک مورد استفاده قرار گرفته است، روش تابش پوشش سرامیکی است. این کار با استفاده از تابش الکترونی انجام می شود.
در مقایسه با منابع انرژی لیزری، در فرآوری با تابش الکترون، انعکاس مواد تحت تابش، کمتر است و بنابراین، بازده باریکه بالاتر است. علاوه بر این، ضخامت مواد تحت تأثیر، می تواند با تغییر توان باریکه، تغییر کند. بنابراین، توان 10 kW معمولا برای برش و جوشکاری مواد مورد استفاده قرار می گیرد، در حالی که یک توان پایین تر اجازه ی فرآوری یک پوشش چند میکرونی را به ما می دهد.
De Riccardis در سال 2008 از تابش باریکه ی الکترونی با سرعت 75/13 ژول بر میلی متر مربع برای زینتر کردن پوشش های زیرکونیا- آلومینای تولیدی با روش EPD استفاده کرد. این زینترینگ به نحوی بود که ماده ی سرامیکی حرارت دهی می شد اما این حرارت به زیرلایه نمی رسید (شکل 1). تابش باریکه ی الکترونی بر روی پوشش زیرکونیا- آلومینایی انجام می شد که از ذرات میکرونی آلفا- آلومینا و اکسید زیرکونیوم تتراکونال در زمینه ای از کریستال های نانوسایز، تشکیل شده بود. با وجود مقداری تخلخل های باقیمانده، فرآوری با باریکه ی الکترونی دارای دو اثر مثبت است: این روش دانسیته ی پوشش سرامیکی را افزایش می دهد وچسبندگی میان پوشش و زیرلایه را افزایش می دهد. در حقیقت، مقادیر تنش چسبندگی اندازه گیری شده برای پوشش هایی که بر روی زیرلایه های سندبلاست شده، اندازه گیری شد، با تنش های مربوط به پوشش های تولیدی به روش پلاسما اسپری، قابل مقایسه است. این مسئله بد نیست که بگوییم، این روش می تواند برای زینترینگ پوشش های سرامیکی ایجاد شده بر روی زیرلایه های فلزی، مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، از آنجایی که تابش با باریکه ی الکترونی بر روی مواد خارج از مسیر باریکه، تخریبی ایجاد نمی کند، برای بدست آوردن پوشش های با دانسیته ی بالا، می توان مسیر وسیعی را با استفاده از حرکت باریکه ی الکترونی و پویش مسیر، زینتر کنیم.
کاربردها: از مواد سنتی تا مواد پیشرفته
بعد از اولین استفاده از EPD برای رسوب دهی ذرات توریا بر روی کاتد پلاتینی (مورد استفاده در تولید تیوب های الکترونی)، EPD عمدتاً برای فرآوری سرامیک های سنتی مورد استفاده قرار گرفته است. کاربردهای صنعتی این روش در رسوب دهی پوشش های لعابی شیشه ای یا رسی بر روی سطوح فلزی می باشد. این پوشش ها بعد از پخت، دارای خواص سطحی بهبود یافته ای نسبت به روش های متداول (غوطه وری و اسپری) هستند.
در 20 سال گذشته، فرایند EPD توجه خاصی را در بخش صنعت و دانشگاه، به خود اختصاص داده است. علت این موضوع بیشتر به دلیل استفاده از این روش در کاربردهای خاص می باشد. در واقع با استفاده از این روش، امکان نفوذ و جاسازی نانوذرات در داخل ساختارهای خاص وجود دارد. با استفاده از این روش، امکان تولید ساختارهایی وجود دارد که تاکنون توانایی ساخت آنها وجود نداشته است.
مقالات مروری مختلفی در زمینه ی EPD، کاربردهای مختلف روش EPD را برای تولید پوشش ها و بخش های خود نگهدارنده، گزارش داده اند. به طور خاص، موفقیت روش EPD در تولید پوشش های متخلخل، لایه ای، هدفمند، کامپوزیت های تقویت شده با الیاف می باشد. علاوه بر این، روش EPD روشی مؤثر برای تولید ساختارهای نیمه رسانای بافته شده مانند BSCCO و YBCO و الکترودهای مورد استفاده در پیل های سوختی، است.
در ادامه گوشه ای از این کاربردها آورده شده است:
بیومواد
مطالعات مختلفی بر روی توسعه ی پوشش های بیولوژیک انجام شده است. هدف این بررسی ها، بهبود چسبندگی میان بافت و سطح ایمپلنت و در نتیجه، افزایش کارایی آن بوده است.
به دلیل اینکه کلسیم فسفات یک جزء سرامیکی استخوان، دندان و لعاب های دندانی است، هیدروکسی آپاتیت بهترین گزینه برای ایجاد اتصال با بافت های سخت می باشد. EPD به طور خاص، در رسوب دهی هیدروکسی آپاتیت مورد استفاده قرار می گیرد. علت این موضوع این است که این روش اجازه ی کنترل دقیق ترکیب شیمیایی، ضخامت و ریزساختار پوشش را به ما می دهد. این مسئله را باید متذکر شویم که این ویژگی های برای حصول مزیت های بهینه، ضروری است. همانگونه که قبلا گفته شد، اولین نیازمندی برای بدست آوردن یک لایه ی هیدروکسی آپاتیت با دانسیته ی مناسب، استفاده از ذرات ریز و ایجاد یک سوسپانسیون پایدار می باشد. Xiao در سال 2006 سوسپانسیون هیدروکسی آپاتیت را با استفاده از نانو ذرات هیدروکسی آپاتیتی با روش هیدروترمال، تولید کرد. ماکزیمم پایداری زمانی ایجاد شد که از n- بوتانول به عنوان محیط مایع استفاده گردید. فرایند EPD پوششی ایجاد کرد که دارای دانسیته ی قرارگیری بالایی بود. این پوشش همچنین انقباض خشک کردن پایین داشت و بنابراین، خواص مکانیکی این پوشش بهینه بود.
Meng در سال 2005 اثرات ولتاژ اعمال شده را بر روی ریزساختار پوشش های هیدروکسی آپاتیت (هم در حالت ولتاژ ثابت (ولتاژ بین 20 تا 200 ولت) و هم در ولتاژ دینامیک (ولتاژی متغیر بین 20 تا 200 ولت))، مورد بررسی قرار دادند. فرایند با ولتاژ دینامیک شامل سه نمو با سه سرعت مختلف بود (مرحله ی اول آهسته تر و به ترتیب این سرعت افزایش می یابد). بعد از زینترینگ در دمای ℃ 800 به مدت 2 ساعت، پوشش آماده شده در ولتاژ ثابت پایین، دانسیته ی بالایی داشت و شامل ذرات ریز بود در حالی که پوشش آماده شده در ولتاژ بالا، متخلخل بود و ذرات آگلومره ی بزرگتری داشت. به طور متفاوت، پوشش آماده شده با ولتاژ دینامیک، شامل ذرات با گرادیان اندازه ی مختلف بود که ذرات ریزتر لایه ی داخلی و ذرات بزرگتر، لایه ی خارجی را تشکیل داده بودند.
شیشه های بیواکتیو مانند شیشه های بیولوژیک 45S5 که از سیلیس (45 % وزنی)، (5/24 % وزنی) و (6 % وزنی) تشکیل شده اند، به آسانی با مایعات فیزیولوژیکی بدن واکنش می دهند و یک لایه ی هیدروکسی آپاتیت بر روی سطح آنها تشکیل می شود که این لایه موجب پدید آمدن پیوند محکمی میان ایمپلنت و بافت های نرم و سخت می شود. پوشش های شیشه ای بیولوژیک 45S5 با استفاده از روش EPD بر روی فولاد ضد زنگ و نایتینول پوشش دهی شده اند (Krause در سال 2006). شرایط رسوب دهی و زینترینگ برای این دو نوع زیرلایه، بهینه سازی شده است. بعد از زینترینگ پوشش در دمای ℃ 800، پوشش های تولیدی از شیشه ی بیولوژیک به طور کامل زیرلایه ی فولادی را می پوشاند. این مسئله حتی در حالتی که زیرلایه سطحی غیر یکنواخت داشته باشد، نیز رخ می دهد. وقتی زیرلایه از جنس نایتینول باشد، یک نفوذ نیکل و تیتانیوم در پوشش بیولوژیک مشاهده می شود. علت این موضوع انجام فرایند زینترینگ در دمای ℃ 950 می باشد.
اخیراً مزیت های کامپوزیت های پلیمری دارای هیدروکسی آپاتیت یا شیشه های بیواکتیو مورد توجه قرار گرفته است. در حقیقت، ترکیب فازهای بیواکتیو غیر آلی و فازهای پلیمری، در مواد طبیعی مانند استخوان مشاهده می شود (استخوان یک کامپوزیت از کریستال های هیدروکسی آپاتیت و کالوژن است). علاوه بر این، استحکام پیوند سطح مشترک هیدروکسی آپاتیت و پوشش های بیو اکتیو ایجاد شده بر روی زیرلایه ی فلزی، می تواند با ترکیب آن با پلیمر، افزایش یابد.
به همین دلیل، انواع مختلف از پوشش های کامپوزیتی بر پایه ی هیدروکسی آپاتیت، شیشه های بیولوژیک یا ترکیبی از آنها، با استفاده از این روش، رسوب دهی شده اند. جزء آلی مورد استفاده در این مطالعات، کیتوسان یا آلگینات است (Zhitomirsky و همکارانش در سال 2009). هر دو جزء آلی اشاره شده، قادر اند تا بواسطه ی ایجاد محدودیت های فضایی، ذرات هیدروکسی آپاتیت یا شیشه های بیولوژیک موجود در سوسپانسیون را پایدار کنند. در فرایند EPD، این مواد آلی به همراه ذرات رسوب دهی می کنند.
شیشه های بیولوژیک به طور موفقیت آمیز به همراه پلی اتر اتر کتون (PEEK) و با استفاده از روش EPD، رسوب دهی شده اند (Boccaccini و همکارانش در سال 2006). این رسوب دهی بر روی سیم های نایتینول انجام شده است. PEEK یک پلیمر ترموپلاستیک شبه کریستالی است که دارای کارایی استثنایی و قابلیت استفاده در کاربردهای بیولوژیکی است. یک سوسپانسیون از PRRK و شیشه ی بیولوژیک در اتانول برای رسوب دهی با استفاده از EPD، مورد استفاده قرار می گیرد. زینترینگ در دمای 340 و به مدت 20 دقیقه انجام می شود. با اعمال این دما، پلیمر ذوب شده و ذرات سرامیکی را در بر می گیرد. پوشش های تولیدی با این روش که بر روی نایتینول پوشش دهی شده اند، دارای چسبندگی خوبی به زیرلایه هستند. علاوه بر این، پوشش های کامپوزیتی دارای دو عملکرد هستند. این مواد در زمان تماس نایتینول با مایعات بدن، آن را در برابر خوردگی محافظت می کنند و همچنین خمیده شدن استخوان یا بافت نرم را که در اتصال با ایمپلنت است، بهبود می دهد.
مثال دیگر از استفاده از پوشش های کامپوزیتی بر پایه ی شیشه های بیولوژیکی، کامپوزیت هایی است که دارای نانوتیوب های کربنی است (Charlotte Schausten و همکارانش در سال 2010). پارامترهای EPD بهینه سازی شده است تا بدین وسیله ذرات شیشه ی بیولوژیک به همراه نانوتیوب های کربنی چند دیواره، بر روی زیرلایه ی فولادی، پوشش دهی شوند. این رسوب همزمان موجب تشکیل پوشش های با دانسیته ی بالا و هموژن می شود که نانوتیوب های کربنی به صورت یکنواخت در داخل آن پراکنده شده اند. بنابراین، ایجاد یک شبکه از نانوتیوب ها در داخل این ساختار، موجب تقویت و بهبود خواص مکانیکی پوشش می شود. پوشش های بدست آمده از رسوب دهی مداوم، یک شبکه دو بعدی از نانوتیوب های کربنی را در حالت نانوساختار ایجاد می کنند که در حضور مایعات بدن، قابلیت ایجاد کریستال های نانوسایز هیدروکسی آپاتیت را فراهم می آورد.
استفاده ی ترکیبی از شیشه های بیولوژیک و نانوتیوب های کربنی همچنین در زمینه ی تولید مواد نانوساختار نیز مورد توجه قرار گرفته است. علاوه بر این، نانوتیوب های کربنی دارای ابعاد مشابهی با پروتئین ها هستند و از این رو آنها دارای برهمکنش بالایی با این مواد هستند و از این رو می توان پیوندهای خوبی بین نانوتیوب های کربنی و پروتئین ها ایجاد کرد. Boccaccini و همکارانش در سال 2007، توانستند نانوتیوب ها را بر روی چارچوب های تولیدی از شیشه های بیولوژیک، پوشش دهی کنند و بدین وسیله یک چارچوب رشد برای مهندسی بافت ایجاد کنند. سوسپانسیون های تولیدی از نانوتیوب های کربنی (با غلظت 5/0 تا 5 گرم بر لیتر) برای ایجاد یک پوشش بر روی ساختارهای متخلخل تولیدی از شیشه های بیولوژیکی مورد استفاده قرار گرفته است. این ساختارها در میان دو الکترود فولادی قرار داده شده اند. ساختار نهایی، چارچوبی تشکیل می دهد که دارای تخلخل های بدون بار می باشد. دیواره های این ساختار دارای تخلخل های نانویی است. علاوه بر این، حضور نانوتیوب های کربنی ویژگی های بیوسنسوری برای این چارچوب ها ایجاد می کند. از این رو این ساختارها دارای پتانسیل بالقوه ای برای استفاده در رشد بافت با استفاده از انتقال سیگنال فیزیوالکتریکی هستند.
آلومینا و پلی اتیلن با وزن مولکول بسیار بالا (UHMWPE) معمولا به عنوان بیومواد در تولید پروتز و جایگزینی بافت، مورد استفاده قرار می گیرد، اما این مواد با بافت زنده، اتصال ایجاد نمی کنند. پوشش های تولیدی از سرامیک های بیواکتیو می تواند اتصال میان این مواد با بافت زنده را افزایش دهد. در سال 2009، Yamagushi و همکارانش از ولاستونیت برای تولید مواد کامپوزیتی بیواکتیو بر پایه ی آلومینا و UHMWPE استفاده کردند. پودر ولاستونیت با کلسیناسیون سیلیسیم دی اکسید و کربنات کلسیم با نسبت های برابر، تولید شد. زیرلایه ی مورد استفاده نیز از جنس آلومینا و UHMWPE متخلخل بوده است. این زیرلایه ها در میان الکترودهای طلایی قرار داده شده اند و به عنوان الکترود عمل کرده اند. بعد از EPD، مواد حاصله در داخل مایع شبیه ساز بدن (SBF) قرار داده شد و بعد از 14 روز، دیده شد یک لایه ی آپاتیت در سمت کاتد زیرلایه ی متخلخل، تشکیل شده است که به دلیل رسوب دهی ولاستونیت در این قسمت، ایجاد شده است. استحکام چسبندگی لایه ی آپاتیت بر روی زیرلایه ی متخلخل بیشتر از پوشش های آلومینایی و HMWPE ی تجاری است که هم اکنون تولید می شوند.
دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک ماده ی بیولوژیک، بر روی زیرلایه های فلزی پوشش دهی می شود و با این کار، میزان پیوستگی ایمپلنت به بافت افزایش می یابد. تجمع باکتری ها بر روی مواد کاشتنی که بر روی سطح پوشش ایجاد می شود، موجب پیچیده شدن جراحی ها می شود. بنابراین، برای کاهش ریسک عفونت های باکتریایی بعد از کاشت ایمپلنت، مواد ضد باکتری غیر آلی مورد استفاده قرار می گیرد. این مواد ضد باکتری غیر آلی نتایج بهتری را نسبت به ضد باکتری های آلی فراهم می آورند. نقره یکی از عناصری است که به عنوان عوامل آنتی باکتری مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین، پوشش های نقره- دی اکسید تیتانیوم هم به خاطر دارا بودن خواص بیواکتیو و هم به خاطر خواص آنتی باکتریال، مورد توجه هستند. نانوذرات نقره (با اندازه ی 4 نانومتر)، به صورت مستقیم بر روی سطح نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (23 نانومتر)، رشد داده می شوند. این رشد از طریق واکنش هسته دوستی انجام می شود. در این روش، نانوذرات نقره به طور یکنواخت بر روی ذرات دی اکسید تیتانیوم توزیع می شود. این کار موجب می شود تا آزادسازی نقره به طور یکنواخت انجام شود. از سوسپانسیون های پایدار آبی که دارای ذرات نقره- دی اکسید تیتانیوم هستند، برای رسوب دهی یک پوشش بر روی صفحات تیتانیومی استفاده شده است. پارامترهای EPD (ولتاژ 3 ولت و زمان 90 ثانیه) به گونه ای بهینه سازی شد که پوششی یکنواخت و بدون ترک، ایجاد شود. در آزمون شبیه ساز مایعات بدن (SBF)، یک افزایش تشکیل هیدروکسی آپاتیت با افزایش زمان و کاهش درصد نقره در پوشش، مشاهده شده است.
نانومواد
در این زمینه، توجه زیادی برای استفاده از نانوتیوب های کربنی در تولید ساختاری کامپوزیتی اختصاص یافته است. کاربردهای آنها از میکروالکترونیک گرفته تا تولید کامپوزیت های ساختاری گسترده است. این مواد در تولید مواد بیولوژیک نیز کاربرد دارند. اما به طور خاص استفاده از روش EPD در تولید آرایه های نانوتیوبی، جزء یکی از کاربردهای مهم تلقی می شود. اگر نانوتیوب های کربنی به همراه سایر مواد مورد استفاده قرار گیرد، کامپوزیتی تشکیل می شود که در آن توزیع یکنواختی از نانوتیوب در داخل یک زمینه قرار گرفته اند. EPD یک روش متداول در دستکاری نانوتیوب های کربنی و تولید آرایه های نانوتیوبی است. همانند سایر فرایندهای EPD، ترکیب شیمیایی سوسپانسیون و پارامترهای EPD برای ایجاد پوشش های با کیفیت بالا، حیاتی هستند. عملکرد نانوتیوب ها همچنین بسیار مهم می باشد زیرا این عملکرد بر روی برهمکنش میان نانوتیوب ها و سایر اجزای موجود در سوسپانسیون، اثر دارد.
Boccaccini در سال 2010 دو روش دیگر برای تولید پوشش های کامپوزیتی با استفاده از روش EPD ارائه کرده است. در روش اول، یک لایه ی نانوتیوبی با یک توزیع صفحه ای همگن از نانوتیوب ها بر روی زیرلایه، ایجاد می شود. سپس، این پوشش نانوتیوبی به عنوان یک الکترود مورد استفاده قرار می گیرد و بر روی آن یک پوشش سرامیکی یا فلزی، رسوب دهی می شود. این پوشش نیز با استفاده از روش EPD ایجاد شده است. در واقع با استفاده از روش EPD، نانومواد سرامیکی یا فلزی به صورت روزن رانی، در داخل ساختارهای نانوتیوبی وارد می شوند. روش دوم شامل رسوب دهی همزمان ذرات سرامیکی با نانوتیوب های کربنی است. با استفاده از این روش توانایی ایجاد ساختارهای زیر وجود دارد:
خود آرایی و ایجاد پوشش های نانوذره ای- نانوتیوبی
کوآگولاسیون ن غیر هموژن نانوتیوب های کربنی بر روی ذرات بزرگتر
رسوب دهی همزمان نانوتیوب های کربنی و ذرات
حضور نانوتیوب های کربنی و تیتانیا موجب افزایش اثر فوتوکالیستی تیتانیا می شود و خواص مکانیکی پوشش های تیتانیومی را بهبود می دهد.
نانوتیوب های کربنی همچنین برای افزایش برهمکنش میان الیاف و زمینه در کامپوزیت های SiC/SiC مورد استفاده در کاربردهای رآکتور همجوشی، استفاده می شوند. EPD همچنین برای رسوب دهی نانوتیوب های کربنی چند دیواره بر روی الیاف SiC مورد استفاده قرار می گیرد. پوشش های نانوتیوبی ایجاد شده بر روی الیاف بسیار چسبنده و هموژن است و توزیع نانوتیوب ها بر روی سطح الیاف نیز یکنواخت است. بافته های الیافی سپس در تماس با الکترودهای مورد استفاده در EPD قرار داده می شوند و ذرات SiC تحت میدان الکتریکی، حرکت داده می شوند و فضاهای میان این الیاف با استفاده از این ذرات پر می شوند. بعد از زینترینگ در دمای ℃ 1300 در هوا، یک کامپوزیت با دانسیته ی بالا بر روی سطح الیاف ایجاد می شود.
لامپ های سه قطبی تولید شده با نانوتیوب های کربنی به طور موفقیت آمیز با ترکیب روش های فوتولیتوگرافی، چاپ شابلونی و EPD، تولید شده اند. برای رسوب دهی انتخابی نانوتیوب های کربنی به عنوان امیترهای میدانی بر روی الکترودهای کاتدی، یک سوسپانسیون EPD که دارای نانوتیوب های کربنی است، مورد استفاده قرار می گیرد. قبلا از این کار، یک عملیات فعال سازی با استفاده از اسید، برای عامل دار کردن سطح نانوتیوب ها استفاده می شود. در طی فرایند EPD، الکترودهای گیت لامپ های سه قطبی با گیت صفحه ای، به عنوان الکترود آند در سلول EPD و الکترودهای کاتدی این لامپ به عنوان الکترود کاتد در این سلول، مورد استفاده قرار می گیرند. با روشی مشابه، نانوتیوب هایی که قبلا باردار شده اند، به طور انتخابی بر روی کاتد لامپ سه قطبی، رسوب دهی می شوند. کارایی انتشار میدانی به نحوی خوب است که از این بخش ها در بسیاری از کاربردها استفاده می شود.
برای بهبود بیشتر کارایی انتشار میدانی نانوتیوب های کربنی، این نانوتیوب ها باید به طور عمودی قرار گیرند به نحوی که یک آن- ایزوتروپی ساختاری مناسب به همراه دانسیته ی چیدمان خوب، ایجاد شود. جنگل های نانوتیوبی می تواند به صورت درجا و بواسطه ی مکانیزم های تبخیری، مایع و جامد، رشد داده شوند. این جنگل ها می تواند با استفاده از فرایندهای ثانویه، نظم دهی شوند. EPD روشی است که به طور موفقیت آمیز برای نظم دهی به نانوتیوب ها مورد استفاده قرار گرفته است. یک روش رسوب دهی الکتروفورتیک با ولتاژ بالا (HVEPD) از طریق سه المان کلیدی، بهینه سازی می شود:
ولتاژهای رسوب دهی بالا برای ایجاد هم سویی نانومواد با میدان الکتریکی
غلظت پایین نانومواد در یک سوسپانسیون برای جلوگیری از آگلومره شدن پیش از رسوب دهی و جلوگیری کردن از تشکیل بسته های متمرکز از نانوذرات
تشکیل همزمان یک لایه ی نگهدارنده موجب می شود تا رسوبات نانومواد در برابر دستکاری شدن، مقاوم باشند.
این روش همچنین به طور موفقیت آمیز برای رسوب دهی نانومیله های اکسید منیزیم ردیفی بر روی صفحات فولاد ضد زنگ، مورد استفاده قرار گرفته اند. این نشاندهنده ی این است که استفاده از HVEPD قابلیت تولید جنگل های نانومواد را دارا می باشند.
تمپلیت های متخلخل اغلب برای تولید نانومواد با آرایش منظم مورد استفاده قرار می گیرند. این ساختارهای منظم بعد از شستشوی تمپلیت، باقی می مانند. رسوب دهی نانوذرات الماس نیز بوسیله ی Tsai و همکارانش در سال 2011 بر روی تمپلیت های آلومینای آندی متخلخل (PAA) انجام شده است. این نانوذرات الماس به عنوان مکان های جوانه زایی در تولید سری های الماسی با اندازه ی نانومتری، مورد استفاده قرار می گیرند.
برای کنترل ساختار پوشش های تولیدی با روش EPD، سایر استراتژی ها می تواند مورد استفاده قرار گیرد. Uchikoshi در سال 2004 و 2010، و Kawakita در سال 2009 نشان داده اند که استفاده از میدان مغناطیسی در طی رسوب دهی الکتروفورتیک، یک جهت گیری ترجیحی در نانوذرت ایجاد می کند. برای مثال، با استفاده از روش EPD، ذرات دی اکسید تیتانیوم با فاز آناتاس در جهت موازی با محور C رسوب دهی می شوند. این رسوبات دارای دانسیته ی بالا، یکنواخت و عاری از ترک است و بنابراین، این رسوبات برای کاربردهای تبدیل انرژی مناسب هستند. در این کاربردها، بازده به طور قابل توجهی به جهت گیری کریستالی وابسته است.
استفاده از میدان الکتریکی AC یا DC پالسی می تواند ساختار رسوب تولیدی با روش EPD را بهبود دهد. Riahifar و همکاران در سال 2011 زمان، فرکانس، ولتاژ و غلظت ذرات را در سوسپانسیون تغییر دادند و پوشش هایی را نانوذرات تیتانیا بدست آوردند که دارای الگوهای رسوب دهی متفاوت است. آنها از دو الکترود طلا استفاده کردند که در فاصله ی 150 میکرونی نسبت به هم قرار داده شده بودند. اعمال میدان الکتریکی AC میان دو الکترود موجب شد تا در لبه ی الکترودها، رسوباتی تشکیل شود. نکته قابل توجه ایجاد این پوشش در زمان کوتاه، غلظت پایین ذرات و فرکانس بالا، است. به عبارت دیگر، در ولتاژهای بالا، زمان های رسوب دهی طولانی تر، غلظت بیشتر ذرات و فرکانس های پایین تر، ذرات رسوب کرده فواصل خالی میان الکترودها را پر می کنند و بوسیله ی آن این مسئله نشان داده شده است که چگونه می توان الگوی رسوب دهی را با تغییر پارامترهای فرایندی، تغییر دهیم.
استفاده از EPD یک روش نسبتا جدید است که در زمینه ی الکترونیک پلیمری مورد استفاده قرار گرفته است. مهمترین ویژگی این روش در این کاربرد، استفاده از محلول های آبی است که در سایر روش ها مانند روش ریخته گری معمولی و روش ریخته گری چرخشی، قابل استفاده نمی باشد. نتایج قابل توجه در این زمینه بوسیله ی Tada در سال 2011 گزارش شده است. این فرد با استفاده از EPD، فیلم های کامپوزیتی از پلیمرهای در هم آمیخته با فلرن ها، تولید کرد که برای سیستم های هتروژن مناسب هستند. علاوه بر این، او فهمیده است که توزیع های مختلف از کریستال های فلرن به مخلوط پلیمری، وابسته است. این نتایج به ما می گوید، با استفاده از این کار، توانایی کنترل مورفولوژی رسوب بواسطه ی EPD مقدور می شود.
سایر مثال ها در مورد استفاده از EPD در زمینه ی تبدیل انرژی عبارتند از تولید ابرخازن ها، ترکیبات با عملکرد نوری، یا آندهای نوری و تولید سلول های خورشیدی رنگی. برای تولید ابر خازن ها، اکسید منیزیم یک ماده ی خام ارزان قیمت است و بنابراین، این ماده یک جایگزین برای اکسیدهای متداول مورد استفاده مانند و در این کاربرد است. پوشش های تولیدی از پودرهای اکسید منیزیمی سوزنی شکل با قطر 10 نانومتر و طول 50 تا 400 نانومتر، با استفاده از روش EPD و بوسیله ی Chen در سال 2009 تولید شده اند. پوشش های رسوب داده شده دارای ساختار متخلخل است و ظرفیت ویژه ی خازن های تولیدی با این روش بعد از 300 سیکل، بین 200 تا 190 فاراد بر گرم می باشد.
نانوصفحات تیتانیا یک نانوماده ی مناسب برای طراحی سیستم های مبدل انرژی حساس به نور است. EPD برای رسوب دهی نانوصفحات تیتانیا از سوسپانسیون های آبی مورد استفاده قرار گرفته است (Yui در سال 2005). بعد از رسوب دهی، برهمکنش متیل ویولوژن (methyl viologen) با استفاده از خیس کردن رسوبات نانوصفحه ای تیتانیا در محلول متیل ویولوژن، ایجاد می شود. فعالیت فوتوکاتالیستی این پوشش ها تحت تابش نشاندهنده ی عملکرد خوب این فیلم هاست.
نتیجه گیری
با استفاده از روش EPD، امکان تولید پوشش هایی با کارایی بی همتا برای استفاده در کاربردهای مختلف، وجود دارد. نیاز است تا پارامترهای فرایندی را کنترل کرده و سوسپانسیون های مناسبی تولید کرد تا بدین وسیله نتایج قابل توجه حاصل شود. علاوه بر این، خواص این پوشش ها می تواند از طریق تنظیم میدان الکتریکی اعمال شده و انتخاب مواد اولیه ی مناس، تغییر کند. این فاکتورها همچنین بر روی عملیات های ثانویه ی مورد استفاده بعد از رسوب دهی، نیز اثر دارد.
علارغم مزیت های مختلف و کاربردهای مختلف این روش، تلاش ها برای توسعه ی مدل های تئوری بیشتر شده است. در حقیقت، این به نظر می آید، EPD در زمینه ی نانومواد گسترش قابل توجهی داشته است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.