مدلسازی با معادلات سینتیکی به منظور طراحی پوششهای سرامیکی
چکیده
روش کلوئیدی به عنوان گامی ضروری در طراحی سرامیکهای نانوساختار بررسی شده است، هرچند محدودیت این روش با پیچیدگی آمادهسازی سوسپانسیون نانوذرات بسیار غلیظ و پایدار و روند رشد سریع آن همراه بوده است. رسوب الکتروفورتیک بهترین نوع فرآیند کلوئیدی است که به منظور تولید محصولات سرامیکی با استفاده از سوسپانسیون و سلهای حاوی مقدار اندکی ذرات جامد مورد توجه قرار گرفته است. این روش حوزه خود را در کاربردهای پوششدهی نانوذرات توسعه بخشیده تا راهکاری برای فرآیندهای پوششدهی تبخیری شود. مدلسازی مستقیم فرآیندهای پوششدهی با استفاده از جریان الکتریکی برای اینگونه کاربردها به منظور عملکرد مواد نوین نقش کلیدی را در مقیاس طول های تقریبا nm 1-100 بازی میکند. در این پژوهش سعی شده سهم اصلی این حوزه به کنترل فرآیند و بسط معادله سینتیکی الکتروفورزیس پرداخته شود.
واژههای کلیدی: رسوب الکتروفورتیک، سوسپانسیون، کلوئیدی، سطح، سینتیکی.
پیشگفتار
رسوب الکتروفورتیک نوعی فرآیندی کلوئیدی است که بدنههای سرامیکی را بهطور مستقیم از یک سوسپانسیون کلوئیدی با اعمال میدان الکتریکی جریان مستقیم (DC) شکل میدهد که بهطور شماتیکی در شکل (1) نشان داده شده است. اعمال میدان الکتریکی جریان مستقیم باعث شده تا ذرات باردار شود و به سمت الکترود با بار مخالف برود و روی آن رسوب کند. رسوب الکتروفورتیک از دو فرآیند تشکیل شده است: الکتروفورزیس و رسوبگذاری . الکتروفورزیس به حرکت ذرات باردار در سوسپانسیونی که تحت تأثیر میدان الکتریکی قرار دارد، اطلاق میشود. در سال 1807، فردی به نام راژیا رئوس برای اولین بار با استفاده از اعمال میدان الکتریکی توانست حرکت ذرات جامد (رُس) را در آب مشاهده نماید و در سال 1927 شخصی به نام هارسانیای موفق به رسوبگذاری ThO2 و تنگستن بر روی الکترود پلاتینی با استفاده از فرآیند رسوب الکتروفورتیک شد.
رسوب الکتروفورتیک شامل رسوبگذاری ذرات پودری باردار معلق در سوسپانسیون است که بر روی زیرلایه هادی با بار مخالف توسط اعمال میدان الکتریکی جریان مستقیم است. به کرّات واژه “رسوب الکتریکی” به جای آبکاری الکتریکی یا رسوب الکتروفورزیس استفاده شده است. رسوب الکتروفورتیک بر مبنای سوسپانسیون حاوی ذرات در یک حلال است در حالیکه سابق بر این از محلول نمکی یا همان محلول یونی استفاده میشد که این روش به دو دسته کلی بر مبنای الکترودی که روی آن رسوب قرار میگیرد، تقسیم میشود:
1. اگر ذرات سوسپانسیون دارای بار مثبت باشند، رسوب روی سطح کاتد صورت میگیرد و این فرآیند به رسوب الکتروفورتیک کاتدی نامیده میشود.
2. اگر ذرات سوسپانسیون دارای بار منفی باشند، رسوب روی سطح آند صورت میگیرد و این فرآیند به رسوب الکتروفورتیک آندی نامیده میشود. بنابراین با تغییر مناسب بار سطحی ذرات، میتوان هر دو روش رسوبگذاری را ایجاد نمود. شکل (1) شماتیکی از هر دو فرآیند مذکور را نشان میدهد.
از جمله کاربردهای رسوب الکتروفورتیک شامل: پوششهای مقاومت به سایش، پوشش سرامیکی آنتیاکسیدان، تولید فیلمهای کاربردی برای دستگاههای میکروالکترونیک پیشرفته و پیلهای سوختی از جامد اکسیدی و ساخت کامپوزیتهای پیشرفته یا پوششهای زیست فعال برای ایمپلنتهای پزشکی است. بسیاری از مزیتهای این روش را میتوان به 4 مورد خلاصه نمود:
– با رسوب الکتروفورتیک میتوان روی هر نوع سطحی، صاف، استوانهای و یا هر زیرلایهای به شکل دیگر با تغییرات کوچکی در موضعگیری و طراحی الکترود ایجاد نمود.
– رسوب الکتروفورتیک در عین حال فرآیندی سریع و به دستگاهی ساده نیازمند است، و به بایندر نیازمند نیست. (حتی مقدار کمی مواد آلی برای سوزاندن به منظور پوشش خام)
– رسوب الکتروفورتیک توانایی رسوبگذاری ترکیبات پیچیده و لمینتهای سرامیکی را دارد.
– همچنین آن پوششی همگن و به شدت چسبناکی را نسبت به هر فناوری پوششدهی دیگری مثل پاششی و غوطهوری عرضه مینماید.
تنها مشکل روش رسوب الکتروفورتیک نسبت به فرآیندهای کلوئیدی دیگر این است که نمیتوان در آن از آب به عنوان حلال استفاده کرد، چون با اعمال ولتاژ به آب باعث تغییر گازهای اکسیژن و هیدروژن در الکترود شده و روی ماهیت رسوبات تشکیلشده، اثرات منفی میگذارد.
مکانیزم روش رسوب الکتروفورتیک
مکانیزمهای رسوب الکتروفورتیک شامل سینتیک فرآیندهایی که تحت شرایط ولتاژ ثابت و جریان ثابت هستند مورد بحث قرار گرفته است. روش تعیین ثابت هاماکر ذرات معلق با مدلسازی رابطهای بین انرژی بین ذرهای و پایداری سوسپانسیون توسعه یافته است. روش جریان مستقیم سه پراب برای رسم نمودار ولتاژ حول الکترود رسوبی استفاده شده است، و نتایجی برای روشن کردن اختلافات بین افت پتانسیل مشاهده شده هنگام رسوبگذاری تجربی و محاسباتی استفاده شد. معادلات سینتیکی برای رسوب الکتروفورتیک تحت ولتاژ ثابت و جریان ثابت با استفاده از شرایط توازن جرمی با آزمایشهای متعددی بررسی شد. پس از این که پدیده معرفی و مورد بحث قرار گرفته شد، بحران کاربرد رسوب الکتروفورتیک برای سنتز پوشش و قطعات سرامیکی ارائه شد.
——————–
بخشی از مقاله “مدلسازی با معادلات سینتیکی به منظور طراحی پوششهای سرامیکی بر روی زیرپایههای فلزی با استفاده از رسوب الکتروفروتیک” را مطالعه کردید.
در صورت تمایل میتوانید متن کامل را از لینک زیر دریافت نمایید.
[download id=”117″ format=”1″] حجم فایل : 1.09 MB
نویسنده : محمد حمید وکیلنژاد
(کارشناسی مهندسی مواد – سرامیک)
هرگونه کپیبرداری از مطلب فوق تنها با ذکر منبع (daneshjo.seoirandns.ir/)
و نام نویسنده (محمد حمید وکیلنژاد) مجاز است.
فوق العاده مفید و عالی بود ممنون