““POLITEHNICA” University of BucharestPOLITEHNICA” University of Bucharest

Faculty of Mechanical Engineering and MechatronicsFaculty of Mechanical Engineering and Mechatronics

Materiale avansateMateriale avansate

NANOACOPERIRINANOACOPERIRI

22

ACOPERIRI PENTRU APLICATII ACOPERIRI PENTRU APLICATII IN MECANICA SI MECATRONICAIN MECANICA SI MECATRONICA

• Procedeele de depunere se impart in 4 categorii:– procedee in stare gazoasa,– procedee in solutie,– procedee in topitura sau in stare semi-topita,– procedee in stare solida.

• Cei mai importanti parametri ai metodelor de depunere sunt:– grosimea acopeririigrosimea acoperirii care se poate obtine si– temperatura de depuneretemperatura de depunere.

• Grosimea stratului depus variaza intre 0.1µm si 10 mm, iar• temperatura de depunere variaza de la temp. camerei pana la 10000C.

• Cercetari recente investigheaza posibilitatea obtinerii unor straturi mult mai subtiri cu grosimi ce coboara pana la 1-3 nm, in scopuri tribologice.

METODE DE ACOPERIRE A SUPRAFETELOR

CVD PVD

Variante in plasma

Depunere electrochimica Sol-gel

Reducere chimica

Depunere non-electrica

Transformare chimica

Variante in plasma

Laser Sudare

Variante in plasma

Depunere chimica in solutie

Solutie Topitura sau stare semi-topita

Spray-ere termica

Stare gazoasa

II/BAD

Clasificarea generala a tehnicilor de acoperire pe suprafataClasificarea generala a tehnicilor de acoperire pe suprafata

PA = depunere in plasma (plasma assisted)PA = depunere in plasma (plasma assisted)CVD = depunere chimica din faza de vaporiCVD = depunere chimica din faza de vaporiPVD = depunere fizica din faza de vaporiPVD = depunere fizica din faza de vaporiIBAD = depunere in prezenta fasciculului ionicIBAD = depunere in prezenta fasciculului ionicIAC = depunere in prezenta ionilorIAC = depunere in prezenta ionilorII = implantare cu ioni (ion implantation)II = implantare cu ioni (ion implantation)

Depunerea fizica din faza de vapori (PVD)

Rezistiva Inductiva Tun cu fascicol de electroni

In arc

Depunerea PVD prin evaporare Depunerea PVD prin pulverizare

Dioda Magnetron Fascicol de ioni Trioda

Catod gol Tun cu filament EB

Auto-accelerat Lucru de accelere

A.1. Procedee de depunere prin PVD (depunerea fizica din faza de vapori) A.1. Procedee de depunere prin PVD (depunerea fizica din faza de vapori)

A. Procedee in stare gazoasaA. Procedee in stare gazoasa

PVD asistata de plasma

Placare cu ioni

Depunere cu ioni in faza gazoasa

PVD asistata de ionizare

Dioda de curent continuu Trioda Radio frecventa Plasma pulsata Depunere asistata de fascicol ionic

Pulverizare in dublu fascicol

Fascicol ionizat

A. 2. Procedee de depunere asistate de plasma (PVD)A. 2. Procedee de depunere asistate de plasma (PVD)

A. Procedee in stare gazoasaA. Procedee in stare gazoasa

B.1. Depunere chimica din solutieB.1. Depunere chimica din solutie– reactiile chimice omogene, precum reducerea unui ion metalic in solutie de catre un agent

reducator,– depunerea in absenta curentului electric sau autocatalitica, ce este asemanatoare cu prima,

cu exceptia faptului ca reactia are loc pe suprafete catalitice, nu in solutie,– acoperiri de transformare, in care un reactant din solutie reactioneaza cu substratul pentru

a forma un compus.

B.2. Depunere electrochimica B.2. Depunere electrochimica (galvanizare)– presupune depunerea unui strat metalic pe un electrod prin procesul de electroliza, in care

transformarile chimice se produc ca urmare a trecerii unui curent electric prin solutie.

B.3. Depunere prin metoda sol-gelB.3. Depunere prin metoda sol-gel– Implica aplicarea solului pe substrat, unde au loc apoi reactiile de hidroliza si condensare

pentru formarea unui gel. Uscarea finala conduce la condensarea ulterioara si formarea unui film dens pe suprafata.

B.4. Electroliza in plasmaB.4. Electroliza in plasma– Este un proces electrolitic bazat pe plasma, ce se desfasoara intr-un electrolit lichid. Este

potrivit mai ales pentru producerea straturilor ceramice dure pe suprafata metalelor usoare, precum aluminiul, magneziul si titanul.

B. Procedee in solutieB. Procedee in solutie

C.1. Pulverizarea termicaC.1. Pulverizarea termica– Procese de energie mai joasa : metalizarea, pulverizarea in arc sau in flacara Exemple: pulverizarea metalelor rezistente la coroziune: Zn, Al.– Procese de energie mai mare: pulverizarea in plasma, pulverizarea prin combustie la viteza

mare.

C.2. SudareaC.2. Sudarea– sudare in flacara cu oxiacetilena, sudare cu arc electric. – se obtin acoperiri cu grosimi de 1.5-6 mm.– se utilizeaza pentru depunerea metalelor sau compozitelor metalo-ceramice.

C.3. Depunerea prin scanteie electricaC.3. Depunerea prin scanteie electrica– este un proces de micro-sudare cu arc electric pulsat, care utilizeaza impulsuri electrice de

curent inalt pentru a depune un material de electrod pe substrat metalic.

C.4. Frecarea suprafetei C.4. Frecarea suprafetei – materialul de acoperit este rotit la viteza mare contra substratului. Caldura de frecare

genereaza o zona fierbinte plastifiata la interfata.Miscarea substratului de-a lungul fetei de rotire transfera un stratde material de acoperire pe substrat, rezultand o grosime de0.2-2.5 mm.

C. Procedee in topitura sau in stare semi-topitaC. Procedee in topitura sau in stare semi-topita

Tratamente de durificare a suprafeteiTratamente de durificare a suprafetei– Suprafetele sunt adesea intarite, de obicei prin metode termice sau termochimice,

pentru a imbunatati proprietatile tribologice si de coroziune.

– Tratamentele termice presupun aplicarea unui anumit ciclu termic asupra unui material, pentru a obtine proprietatile mecanice si uneori chimice dorite.

– Tratamentele termochimice presupun modificarea suprafetei existente mai degraba decat adaugarea unui material de acoperire pe suprafata.

In timp ce tratamentul termic utilizeaza carbonul existent in otel, in tratamentul termochimic compozitia suprafetei este modificata prin adaugarea unuia sau mai multor elemente. Aceasta inseamna ca pot fi tratate mult mai multe tipuri de oteluri si alte aliaje neferoase.

Acoperiri cu efect de autocuratare si antibacterieneAcoperiri cu efect de autocuratare si antibacteriene

Dioxidul de titan (TiOTiO22) nanostructurat - puternic caracter de auto-curatare si antimicrobian. Materialele tratate cu TiO2 s-au dovedit a fi foarte eficiente impotriva bacteriilor si a indepartarii petelor prin activitatea sa fotocatalitica. TiO2 sub forma de rutil poate bloca razele UV in timp ce lumina poate trece. TiO2 sub forma de anatas poate avea un puternic caracter fotocatalitic.

TiO2 nanostructurat poate fi utilizat in protectia UV, vopsele, materiale cu proprietati de autocuratare, materiale cu proprietati antimicrobiene. Eficientizarea reactiei TiO2 poate fi imbunatatita prin doparea acestuia cu metale nobile, bor, azot.

Produsul ecologic Titanium G502metal este un invelis special, invizibil, nanofotocatalizator din dioxid de titan TiO2, care combina fotocataliza, nanotehnologia si apa de ploaie. Aplicarea lui confera protectie fata de orice influenta nociva a mediului (inclusiv radiatii UV), suprafata tratata dobandind proprietati de auto-curatare doar cu apa de ploaie.

Recomandat pentru tratamentul pe exterior al geamurilor. Substanta creeaza o suprafata hidrofila care atrage apa. Murdariile de pe geam sunt distruse de catre lumina solara (printr-un proces de fotocataliza cu TiO2), iar ploaia il curata definitiv. Practic, geamul se auto-spala.

Acoperiri cu efect de autocuratare si Acoperiri cu efect de autocuratare si antibacterieneantibacteriene

Oxidul de zinc (ZnOZnO) joaca un rol important in foarte multe aplicatii variind de la cauciuc la ceramica, de la produse farmaceutice la produse utilizate in agricultura, de la vopsele la produse chimice. ZnO imbunatateste rezistenta materialelor plastice la foc, reduce degradarea sub influenta razelor UV a plasticelor si a lemnului atunci cand este folosit ca invelis, poate fi folosit si ca vopsea antibacteriana. Oxidul de zinc este folosit pentru abilitatea sa de a neutraliza acidul si pentru proprietatile sale bactericide blande, putand fi folosit cu succes in creme antiseptice care accelereaza vindecarea. Pulberile nanostructurate de ZnO pot fi utilizate in sectoare sensibile cum ar fi cel al acoperirilor ambientale.

Pansamente impregnate cu trigliceride si nanoparticule de ZnO dopat cu Ag pentru

tratamentul plăgilor cu risc de suprainfectie.

APLICATII ZnOAPLICATII ZnO

Materiale pentru acoperiri ecologiceMateriale pentru acoperiri ecologice

Transp. maritim Transp. feroviar Cisterne Ind. chimica Petrol / rafinarie Rezervoare Energie electrica

© Advanced Polymer Coatings

A nanostructured lithium ion battery developed at Rice University may charge faster and last longer than Li ion batteries in current use. Nanowires with a PMMA polymer coating, seen in a transmission electron microscope image at right, solve a long-standing problem of forming ultrathin electrolyte layers around nanostructured electrode materials. (Credit: Ajayan Lab/Rice University.)

Nanoacoperiri subtiri polimerice (PTFE) pentru industria solara. © 2012 by Vincentz Network, Hanovra, Germania.

Nanoacoperiri polimerice pe baza de rasini termorezistente sau termoplastice (epoxi, poliester, nylon, polietilena). © DTi device technologies.

Exista trei posibilitati de realizare a nanoacoperirilor pe baza de structurii polimerice si pulberi anorganice de dimensiuni nanometrice:

Amestecarea nano pulberii anorganice cu monomerul, urmata de polimerizare (in situ) Dispersarea nano pulberii anorganice in matricea polimera prin amestecarea pulberii de material anorganic cu

polimerul in stare fluida Dispersarea nano pulberii anorganice intr-o solutie de polimer urmata de evaporarea solventuluiPolimerizarea in situ este cel mai des folosita pentru sinteza unor nano acoperiri polimerice.

Materiale pentru acoperiri cu rezistenta Materiale pentru acoperiri cu rezistenta mecanica ridicatamecanica ridicata

CNT dispersat in matrice poliolefinica

Nanotuburi de C inglobate in matrici polimerice materiale cu proprietati mecanice, electrice si termice deosebite.

Pentru transferul eficient al extraordinarelor proprietati ale nanomaterialelor de carbon si in special al nanotuburilor catre materialul gazda, trei factori sunt esentiali:• usurinta cu care nanomaterialul este udat de catre materialul gazda,• dispersabilitatea nanomaterialului,• transferul de sarcina.

Toti acesti parametri au un numitor comun si anume energia superficiala, care va trebui modificata prin metode fizice si chimice pentru obtinerea unor nanostructuri cu proprietati deosebite.

Materiale pentru acoperiri cu rezistenta Materiale pentru acoperiri cu rezistenta mecanica ridicatamecanica ridicata

Functionalizarea nanotuburilor de carbon (sursa: Polacco G, Palla M, semino D , Polym. Int.,

1999, 48-392)