Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 21, N° 1, 2001

MEDICIÓN POR MICROSCOPÍA ÓPTICA DE ESPESOR DE CAPASGRUESAS NO CONSOLIDADAS

(Thickness measurement by optical microscopy of non-consolidated thick coatings)

Thierry Poirier.

Grupo de Ingeniería de Superficies, Departamento de Ciencia de los materiales, Universidad Simán

Bolívar, AA 89000, Caracas 1080A, Venezuela.

E-mail: tpoirier@usb.veResumen:

Se propone una técnica sencilla de medición de espesor de recubrimientos espesos (1-100 um) no consolidados (friables),mediante la realización de un escalón en el recubrimiento y su observación con un microscopio óptico, aprovechando su bajaprofundidad de campo (menos de 1 um) y la existencia de un tornillo micrométrico graduado para enfocar el microscopiosobre el sustrato desnudo o sobre la superficie del recubrimiento. La comparación de esta técnica con métodos convencionales(profilometría, corrientes inducidas, microscopía electrónica), sobre capas friables de circonia y de oxido de titanio, demuestrasu mayor sencillez, eficiencia e interés económico.

Abstract:

A simple thickness measurement method is proposed for non consolidated, friable thick coatings (1-100 um), markinga furrow in the coating and observing with an optical microscope. Its low field depth is used in association with the exist-ence of a scaled micrometric screw which allows to focalize respectively onto the naked substrate and onto the surface ofthe coating. The comparison of this technique with conventional methods (profilometry, eddy currents, scanning elec-tronic microscopy) shows its higher simplicity, eficiency and economic interest.

1. Introduccion:Varios métodos de deposición de capas gruesas (> 1

um) de materiales cerámicos requieren de una etapa deconformado (inmersión o "dip coating" 1, proyección deliquido precursor o de suspensión en una llama o "LiquidFlame Spraying" 2, "Aerosol Flame Spraying" 3, colado decinta o "Tape casting", electroforesis) y de un tratamientotérmico final. En la fase de conformado, en la cual la caparealizada no está coñsolidada aún, es importante realizarel seguimiento del'espesor, para poder optimizar lavelocidad de deposición del proceso. Sin embargo, lastécnicas que se suelen utilizar sobre capas consolidadas (porproyección plasma o HVOF de polvos secos, por ejemplo)son difícilmente aplicables sobre capas friables.

En el presente trabajo se propone una técnica sencillaque recurre a un microscopio óptico, y se compara con otrastécnicas (corrientes inducidas, profilometría, microscopíaelectrónica de barrido), para medir el espesor de capasespesas todavía friables. La baja profundidad de campo,

que es una característica conocida de los microscopiosópticos, es generalmente considerada un gran inconvenienteen la observación de muestras de superficie irregular. Estaprofundidad de campo es más reducida cuando lamagnificación del objetivo aumenta. Para una magnificaciónsuperior a 200-300 X, la profundidad de campo es del ordendel micrómetro o menos del micrómetro. Por lo tanto unobservador que desea visualizar dos puntos de una superficieirregular, distantes de una cierta altura entre ellos, debedesplazar el objetivo del microscopio óptico, desde unaaltura hacia la otra. Un tornillo micrometrico permiteobtener este desplazamiento muy reducido.

Gracias a las graduaciones de este tornillo micrometrico,el inconveniente de la baja profundidad de campo se puedeaprovechar para medir la desnivelación entre dos puntos,si esta desnivelación es mayor que la profundidad de campo.Con este método, es posible, para altas magnificacionesdelmicroscopio, medir alturas de escalón entre un micrón yvarias decenas de micrones.

T. Poirier. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales41

1. Parte experimental :

2.1 Microscopía óptica:

En el caso de recubrimiento s no consolidados, un escalónpuede ser realizado, trazando una raya con una punta dura.De esta manera, se puede poner la superficie del sus trato aldesnudo, sin rayarlo. Asimismo, el material escogido para

Desplazamientonecesano

para enfocartornillo rnicrométricodel microscopio óptico

RECUBRIMIENTO

SUSTRATO

la punta es un polímero, en vez de un metal. Se aplicaentonces el método de medición por desplazamientomicrometrico del objetivo para estimar la diferencia de alturade escalón trazado entre la superficie del recubrimiento yel sus trato desnudado, en otros términos : el espesor delrecubrimiento mismo (Figura. 1). Focalizando(magnificación : 500 X) sucesivamente sobre cadasuperficie, se mide así el espesor, sobre varios puntos,estableciendo así un valor promedio.

Enfocado sobre lasuperficie del recubrimiento

Profundidad de campo/ del microscopio óptico~---~I ESPESOR

DE LA CAPA

Fig. 1 : Principio de utilización del microscopio óptico para medir una desnivelación

Recubrimiento:

El recubrimiento que se utiliza para comparar lastécnicas de medición es elaborado por termorrociado porllama oxiacetilénica de una suspensión coloidal (sol) decirconia sobre un sus trato de acero inoxidable AISI 316L(Aerosol Flame Spraying : "AFS"). La técnica deelaboración de la suspensión a partir de un precursorpropoxido de circonio (Aldrich) es descrita por Vesteghem& col 4, y el proceso de deposición esta descrito por DiGiampaolo & col 3. Otro recubrimiento caracterizado porla técnica óptica de medición de espesor es un depositofotocatalitico de oxido de titanio (anatase) sobre sustrato devidrio, elaborado por colado de cinta (tape casting) 5.

Se compara el método óptico con otras técnicas utilizadascorrientemente para la medición de espesores de capas :profilometría, corrientes de Foucault, microscopíaelectrónica de barrido (MEB).

ProfilometrÍa

Un profilómetro Sloan Dektac II es utilizado sobre unescalón realizado según el mismo procedimiento que en elmétodo óptico 6. Una punta micrometrica, montada sobreun sensor de desplazamiento (precisión ± 10 nm), se mueve

sobre la superficie de la muestra, midiendo así su topografía.Espesores de 20 a 30 /lm son medidos, así como unarugosidad (Ra) del orden de 2 a 3 um. Sin embargo, seobserva que la punta del profilómetro realiza una raya dentrodel recubrimiento no consolidado, dando así unainformación errónea de la verdadera topografía del escalón.(Figura 2). Este efecto de "arado" afecta la confiabilidaddel método propuesto.

Corrientes de Foucault :

Un medidor de espesores por corrientes de Foucaultsobre sustratos paramagneticos, de marca Elcometer 345Nes utilizado para la medición de los espesores derecubrimiento s de diversos espesores. Este equipo es muypráctico para caracterizar espesores derecubrimientosconsolidados de más de 25 um) (ASTM B244-79), con unaprecisión de 10%. Se utiliza presionando la superficie de lamuestra con el sensor (ver figura 3). Sin embargo, este modode empleo conduce al daño de la capa por compresión. Porotra parte, las mediciones sobre capas de espesor inferioresa 25 /lm carecieron de reproductibilidad. Por lo tanto, sedescarta este método para capas friables.

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Eiacto de "An.do" con el Profllorne iro

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Fig. 2 : Comparación entre perfil teórico y perfil medido en un escalón trazado en un recubrimiento AFS de circonia.Descripción de la técnica de medición y del efecto de arado

sensor decomentes inducidas

t;J~~~~,~recu . mento

medición:presión manual sobre el recubrimiento

condiciones correctas(capa consolidada)

[[[JJ

medición;condiciones incorrectas

( capa friable)

[[[JJ

\:----::11

Fig. 3 :Principio de funcionamiento y dificultad de aplicación de un sensor de corrientes inducidas

Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) :

Al contrario de las técnicas anteriores, la observaciónde corte de las capas depositadas es factible sin dañosignifican te a su estructura. Las muestras son embutidasen una resina termofusible en frío, cortadas mediante unasierra de diamante y pulidas. Teóricamente, la resinapermite mantener en conexión el sustrato y el recubrimientosin arrancarlo. Luego, se retira la muestra de la resina (amenos que dicha resina sea conductora) con la ayuda deuna pistola térmica, se metaliza y se coloca en elportamuestra del MEB, para finalmente proceder a la tomade fotografías de corte del sustrato recubierto. Este método,

aceptado para la gran mayoría de los depósitos, fue aplicadopara capas conformadas por AFS y dieron resultados degran precisión. La vista de corte de un recubrimiento porMEB parece por lo tanto la técnica más adecuada, a pesardel especial cuidado que se necesita a la hora de embutir ydes embutir la muestra, para no dañar el recubrimiento (casode las resinas clásicas). (Figura 4)

Sin embargo, el costo de un ensayo de MEB y el largotiempo de preparación de muestra confieren a esta técnicaun costo prohibitivo.

T. Poirier. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

Fig. 4 : Vista de corte (MEB) de un recubrimiento AFS decirconia 3

Aplicaciones del Microscopio Óptico:

El método propuesto fue aplicado con un microscopioóptico Nachet, conectado a una cámara CCD, sobrerecubrimientos de circonia elaborados por AFS. Sedeterminó por microscopía electrónica de barrido que estos

capa §egwtdaria~más poli a) =-';

i:lpD 11' 'mi~-==7(~:m9~ta)

'u:tttat·

(a)

(c)

43

recubrimiento s eran constituidos de dos capas : una capaprimaria bastante densa, muy adhesiva, y una segunda capade microstructura más porosa 7. La punta utilizada paradesnudar localmente el sustrato, al desprender másfácilmente la segunda capa que la primera, permitiódiferenciar ambas. En la Figura 5 se ven fotografías tomadascon el microscopio óptico, focalizando respectivamentesobre (b) el sustrato (nivel: O 11m), (e) la superficie de laprimera capa (nivel: 7 11m) y (d) sobre la superficie de lasegunda capa (nivel: 36 11m). Se concluye que elrecubrimiento observado tiene 36 11m de espesor, e incluyeuna capa primaria de 711m. El margen de error de estatécnica de medición corresponde a la precisión del tornillomicrometrico del microscopio : 111m. Cabe acotar que elvalor muy bajo de la profundidad de campo y el principiode la sustracción entre dos alturas conducen a minimizar lacontribución del operador en el error de medición. El tiempototal de ejecución del ensayo es sumamente reducido: menosde 5 minutos (ver cuadro comparativo: Tabla 1), lo cualpermitió determinar con rapidez las condiciones óptimasde recubrimiento con la suspensión de circonia.

(b)

(d)

Fig. 5 : Conformación del recubrimiento AFS de circonia (a) y vistas en microscopía óptica, enfocando sobre (b) la superficie delsus trato (O J..Lm)(e) la capa primaria (7 J..Lm)(d) la capa segundaria (36 J..Lm).Los cuadros blancos indican cual es la zona de enfoque

en cada caso

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Tabla 1 : Comparación de tiempo, costo y viabilidad de los diferentes métodos de ensayo comparados en el presente trabajo.

PROFILÓMETROCorrientes de

M.E.B MICROSCOPIOFoucauItOPTICO

Tiempo preparacióny observación de la 15 minutos 1 minuto 120 minutos 5 minutosmuestra

Costo estimado para 15.000 Bs50.000 Bs

(embutido, corte, pulido,1 muestra y concepto (equipo especifico, 1.000 Bs. (técnico)

metalización, MEB, foto,2.000 Bs. (técnico)

de costo tiempo técnico) técnico)(1 US$ = 700 Bs)

\ Precisión 0,01 um10% del espesor

0,05 um 111m(si> 25 11m)Viabilidad limitada pésima excelente excelente

Otro ejemplo de aplicación de la presente técnica es lamedición de espesor conjuntamente con la medición deabsorbencia UV de recubrimiento s fotocataliticos de oxidode titanio 5 :

Se pudo demostrar que un espesor de 4 um ± Ium dabala absorbencia máxima en el rango ultravioleta, indicandoasí la cantidad óptima de material a depositar sobre elsustrato de vidrio. (ver Figura 6)

100

90

80""' 70~.,'"' 60=~.-:::S 50'"=~l:"a 40'"'''¡:::>. 30O

20

10

<>-\

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\\\

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~""'.,A

A A Av vo

O 2 3 4 5 6 7 8 9 10

coating thickness (microns)

Fig. 6 : Transmitancia óptica en el rango UV vs espesor de un recubrimiento fotocatalitico de Ti02 anatase depositado por colado

de cinta sobre vidrio

T. Poirier. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales45

3. Conclusion

La técnica de medición de espesor de capas friable s porrnicroscopía óptica, aparece como un método confiable, mássencillo, rápido y menos costoso que los demás mediospropuestos en el presente estudio. Permite una mediciónpuntual de espesor en el rango 1-100 um, con una precisiónde 1 um,

4. Bibliografia:

1. TE Petroff, "Sol gel coatings overcome disadvantagesof conventional methods", Cerarnic Industry, novembrer1996, pp 42-43

2. J.Karthikeyan, C.Berndt, J.Tikkanen, J. Wang, A.King,H.Herman, "Nano material powders and deposits pre-pared by flame spray processing of liquid precursors",Nanostructured Materials, Vol 8, N°1, pp 61-74, 1997,Elsevier

3. A.R Di Giampaolo, H.Reveron, H.Ruiz, TPoirier, J.Lira,H.Vesteghem, "Zr02 coatings on stainless steel by aero-sol thermal spraying", A.T.M, vol 1, [1] 90-100 (1998)

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5. TPoirier, C.Lavelle, FMorales, O.Nuñez, "Titanium ox-ide (anatase) deposition on glass substrates for photo-catalytic applications", a ser publicado en Thin SolidFilms

6. J.M Laurent, "Influence de la chimie des précurseurssur la morphologie et les caractéristiques électriques etoptiques de films a base de dioxyde d'étain déposés parle procédé pyrosol", These de l'Université de Limoges,20/10/95, 36/1995

7. T'Poirier, "Dépót de zircone colloídale sur substratsmétalliques", Tesis de doctorado, Universidad deLimoges, noviembre 2000.