Témata
Reklama

Vakuové a plazmochemické techniky povrchových úprav

Povrchové úpravy materiálů jsou používány pro ochranu povrchu, dekorativní účely nebo řízenou změnu fyzikálních či chemických vlastností povrchu materiálu. Na povrch upravovaného materiálu lze nanést tenkou nebo ultratenkou vrstvu o definovaných mechanických, optických, tepelných nebo elektrických vlastnostech.

Obecně lze povrchové úpravy materiálů rozdělit na fyzikální a chemické. Fyzikální úpravy často využívají vysoce energetické částice nebo záření způsobující změnu chemické struktury a mikrostruktury materiálu. Chemické úpravy naproti tomu modifikují chemické složení nebo strukturu povrchu materiálu při přímé chemické reakci s daným roztokem (mokré úpravy) nebo vytvářejí kovalentní vazbu vhodné chemické skupiny, případně makromolekulárního řetězce k povrchu materiálu (povrchové roubování). Tento příspěvek se bude věnovat vybraným technikám fyzikálních úprav, které je možné aplikovat na všechny typy materiálů (sklo, keramika, kov, polymer, kompozit) a různý tvar výrobku (rovinný, vlákenný, částicový. Důležitý je však výběr vhodné techniky úpravy povrchu a jejích technologických parametrů pro účel povrchové modifikace specifického materiálu.
Reklama
Reklama
Reklama

Fyzikální úpravy

Fyzikální úpravy, respektive modifikace povrchu daného materiálu lze rozdělit do dvou hlavních kategorií:
  • modifikace povrchové vrstvy materiálu;
  • depozice tenké vrstvy na povrch materiálu.
  • Vzhledem k nereaktivnímu povrchu většiny materiálů je pro první kategorii nezbytná tvorba poměrně vysoce energetických částic, radikálů, iontů, molekul v excitovaných stavech apod. Důležitým efektem modifikace povrchové vrstvy může být leptání povrchu, kdy je měněna morfologie povrchu a dochází ke vzrůstu drsnosti a tedy zvětšení plochy povrchu, což má příznivý následek ve zvýšení adheze (přilnavosti) k dalšímu materiálu v případě nanášení vrstvy nebo spojování materiálů (lepení). Vhodnými technikami pro nanášení vrstev jsou plazmochemické metody (naprašování, plazmová polymerace, využití laseru) a metody vakuového napařování. Aplikace fyzikálních úprav lze rozdělit na nízkonákladové (např. obalová technika) a vysokonákladové (např. elektronika).
    Mezi klasické fyzikální úpravy patří techniky úpravy povrchu plamenem a koronovým výbojem, které lze uplatnit při běžných provozních podmínkách (atmosférický tlak, 105 Pa) a které jsou široce využívány pro povrchové úpravy polymerů (obalová technika). Pro speciální povrchové úpravy jsou využívány techniky vyžadující snížený tlak alespoň na úrovni technického vakua 10-2 - 102 Pa, případně vysoké vakuum 10-6 - 10-2 Pa, zajišťované čerpacími systémy (vývěvami) a dále vyžadující energetická zařízení (generátory, lasery). Tato technicky a energeticky náročná zařízení zvyšují náklady na povrchové úpravy materiálu, a proto jsou speciální povrchové úpravy využívány ve výzkumných laboratořích nebo pro průmyslovou výrobu funkčně a finančně náročnějších výrobků v automobilovém, leteckém, kosmickém a elektronickém průmyslu.

    Studené plazma

    Studené plazma lze využít pro aktivaci povrchu, leptání povrchu nebo nanášení vrstev plazmových polymerů. Pro první dva efekty se využívá inertních nebo reaktivních plynů (Ar, H2, O2, CO2, vzduch, CF4/O2 apod.). Při interakci studeného plazmatu s upravovaným povrchem nedochází k výraznému ohřevu materiálu (teplota ? 30 °C), a technika je proto vhodná tam, kde by mohlo docházet k degradaci materiálu při vyšších teplotách, např. u polymerních materiálů. Na rozdíl od koronového výboje je nezbytná vakuová komora (tlak: 0,1 - 100 Pa), dávkování plynů, případně par monomerů, generátor a přizpůsobovací člen pro indukčně nebo kapacitně vázané plazma. Tato technika však nabízí větší výběr procesních parametrů (výkon, frekvence, tlak, proud plynu/par, geometrický faktor) a výběr vhodného plynu nebo monomeru, tedy širší škálu možných modifikací povrchu materiálu. Pro depozici tenké vrstvy o tloušťce od několika nanometrů (1 nm = 1000 µm = 10-9 m) do několika mikrometrů (1 µm = 10-6 m; 50 - 80 µm je průměr lidského vlasu) na povrch materiálu se používá monomerů, jejichž molekula obsahuje atomy uhlíku, křemíku, případně kovů (organokovy). Depoziční rychlost, s jakou je vrstva nanášena, závisí na depozičních podmínkách a pohybuje se v rozmezí 0,1 - 10 µm/hod. Lze deponovat vrstvy organické, anorganické nebo hybridní, a především lze fyzikální a chemické vlastnosti těchto vrstev řídit depozičními podmínkami. Výsledkem jsou vrstvy s definovanými elektrickými, mechanickými a optickými vlastnostmi. Morfologii povrchu vrstev lze rovněž měnit v širokém rozsahu. Použití nízkoteplotního plazmatu lze nalézt v mikroelektronice při leptání, především při odstraňování fotorezistů v rámci tzv. planární technologie; leptání a fluorizace organických polymerů; modifikace chemických a fyzikálních vlastností povrchu - zabudování funkční skupiny na povrchu, řízení smáčivosti, drsnosti, adheze. Technika se využívá pro zvýšení potiskovatelnosti polymerů, povrchové úpravy automobilových nárazníků kvůli jejich barvení (běžné průmyslové aplikace používají toxické látky) a dále pro zvýšení povrchové biokompatibility materiálů - povrchů příznivých pro množení mikroorganismů, implantátů, kontaktních čoček atd.

    Horké plazma

    Horké plazma vytvářené při atmosférickém tlaku dosahuje velmi vysokých teplot (5000 - 10 000 °C). Anorganický prášek je roztaven v horkém plazmatu a kapičky taveniny jsou rozprašovány na povrch materiálu. Používá se pro depozici tvrdých a pasivačních vrstev, především na kovové a keramické materiály, např. obráběcí nástroje.

    Laserové úpravy povrchu

    Lasery využívají koherentní záření o vysokém výkonu (MW) a při pulzním režimu lze vytvářet horké plazma. Laserové záření umožňuje např. síťování polymeru nebo rozštěpení chemických vazeb (laserová ablace - mikroleptání). Pulzní režim je možné využít pro depozici tenkých vrstev, a navíc vysoký výkon může být použit na spékání materiálu (sintrování) u keramických materiálů. Laserové ablace se s výhodou používá při nízkoobjemové mikrolitografii. Tohoto typu úprav lze také využít pro zvýšení adheze, případně čištění povrchu.

    Úpravy UV-, X- a g-zářením

    Energie těchto typů záření je od 7 - 10 eV pro UV-záření přes 103 - 106 eV pro X-záření až po 106 - 109 eV pro g-záření. Záření s krátkou vlnovou délkou aktivuje mnohé chemické reakce. UV-lampy (250 - 400 nm) jsou hojně využívány pro povrchové úpravy polymerů. Zařízení k tomu určená využívají osvětlovací jednotky, která vymezí oblasti, jež mají být ozářeny (maskování v mikroelektronice), nebo se ozařovaný materiál pohybuje pod světelným zdrojem (polygrafie). Většina aplikací zahrnuje zářením aktivované zesítění (negativní rezisty, povlakování papíru) nebo fragmentaci (degradaci, pozitivní rezisty) polymerních vrstev. Tohoto typu úprav je využíváno při studiu fotooxidačního chování některých polymerů (PP, PET, PC). Bylo zjištěno, že ozařování v přítomnosti kyslíku nebo ozónu vede ke zvýšení smáčivosti polymerů a tedy také adhezní vazby. X- a g-záření je možno využít také pro sterilizaci materiálů.

    Úpravy elektronovým svazkem

    Vysokoenergetické elektrony (50 keV - 5 MeV) mají poměrně dlouhou střední volnou dráhu (0,1 - 3 mm) v polymerních materiálech a hodí se pro síťování polymerů ve formě kabelů, trubek a vytvrzení povlaků. V některých případech je tato úprava využívána pro změnu propustnosti a difuzních koeficientů polymerů. Pro nízkoenergetické elektrony (< 25 keV) je nutné použít vakuovou komoru. Úpravy nízkoenergetickými elektrony jsou využívány pro zvýšení adheze, zpevnění povrchové vrstvy a oxidaci povrchu vlivem tvorby radikálů.

    Úpravy iontovým svazkem

    Iontové svazky lze využít dvěma rozdílnými způsoby, a to buď přímo modifikovat složení materiálu povrchové vrstvy, nebo odprašovat atomy/molekuly vstupního materiálu a nanášet je na povrchově upravovaný materiál. Ionty jsou energetické částice s vysokým momentem hybnosti a poměrně krátkou střední volnou dráhou díky jejich velké hmotnosti. Tedy jsou schopny silně ovlivňovat povrchové složení materiálu, které vede k výrazné chemické modifikaci a někdy i ke karbonizaci. Při ozařování povrchu materiálu vysokoenergetickými svazky iontů lze vytvořit povrchovou vrstvu se zvýšenou tvrdostí. Použití je vhodné pro polymery, plazmové polymery a keramické materiály. Tato technika většinou vyžaduje vakuovou komoru.

    Vakuové napařování (pokovování)

    Pokovování sestává z povlakování povrchu upravovaného materiálu částicemi kovů. Běžně se využívá vakuového napařování (tlak 10-7 - 10-3 Pa). Nejrozšířenější je nanášení hliníkové vrstvy na plastické fólie, elektrické aplikace (kondenzátory) nebo pouzdření a balení (dekorační účely, ochranné vrstvy). Pokovování vyžaduje vakuový systém a hliník je zvláště vhodný, protože může být dodáván v kapalné formě, kdy je snadno odpařován při střední teplotě a vakuu. Jednoduché tvary povrchově upravovaného materiálu jsou předností.

    Naprašování

    Naprašování (např. magnetronové naprašování) je využíváno pro nanášení anorganických nebo polymerních povlaků, kdy napařování není možné. Technické požadavky na provozování této metody jsou obdobné jako v části věnované studenému plazmatu. Naprášené vrstvy vykazují velice dobrou adhezi k podkladovému materiálu, díky využití energetických částic (atomy, molekuly) bombardujících povrch. Technika je vhodná pro povrchovou úpravu všech druhů materiálu včetně polymerů (PET, PC, polyimidy), pro zlepšení mechanických a optoelektronických charakteristik nebo biokompatibility. Touto technikou je možné upravovat smáčivost povrchu materiálu překrytím původního povrchu tenkou vrstvou s požadovanými povrchovými vlastnostmi. Původně nesmáčivý povrch lze takto upravit na smáčivý (hydrofilní), např. za účelem barvení, tisku, zvýšení adheze, nebo naopak smáčivý povrch upravit na nesmáčivý (hydrofobní), např. povrch kovového materiálu bude po úpravě odpuzovat vodu a bude tak chráněn před korozí. Pro ochranu povrchu materiálu lze nanést tvrdou vrstvu, která zvýší otěruvzdornost a zabrání poškození (poškrábání) výrobku. Tvrdost vrstvy je možné řídit v rozmezí 1 - 160 GPa. Velice tvrdé vrstvy vykazují obvykle vysoké vnitřní pnutí, které snižuje přilnavost (adhezi) k podkladovému materiálu. Tuto nepříznivou vlastnost lze poměrně dobře kompenzovat depozicí jedné nebo více mezivrstev. Lze tedy kontrolovaně vytvářet funkční vrstevnaté struktury za účelem zvýšení adheze a definovaně se měnících mechanických, elektronických nebo optických charakteristik jednotlivých vrstev. Stále častěji nyní nacházejí uplatnění tzv. nanokompozitní vrstvy, tj. nanovrstevnaté kompozity, kdy je tloušťka jednotlivých vrstev nižší než 100 nm, nebo nanočásticové kompozity ve formě vrstvy, kdy tenká vrstva obsahuje nanočástice o průměru menším než 100 nm. Z hlediska rozvoje speciálních povrchových úprav je třeba uvést, že nové trendy směřují k tzv. gradientním vrstvám, kdy se fyzikálně-chemické vlastnosti vrstvy spojitě mění a bylo by tak možné vytvářet spojení s tenkou vrstvou nebo propojení mezi materiály pomocí mezivrstvy "bez rozhraní" mezi fyzikálně a chemicky odlišnými materiály, neboť právě ostrá rozhraní jsou slabými místy při zabezpečení funkčnosti materiálu a jeho užitných vlastností.
    Doc. RNDr. Vladimír Čech, Ph.D.
    Mgr. Radek Přikryl, Ph.D.
    Ústav chemie materiálů, VUT Brno
    Reklama
    Vydání #4
    Kód článku: 50429
    Datum: 13. 04. 2005
    Rubrika: Odborná příloha / Povrchové úpravy
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Perfektní povrchová úprava

    Ten, kdo vytváří povlaky, může dosáhnout bezvadných výsledků pouze důkladnou předpřípravou povlakovaného povrchu. Také za tímto účelem investovala firma Bot Oberflächentechnik z Kulmbachu do nového zařízení – a dosáhla tak nakonec fascinujících výsledků.

    Stříkání a lakování - trendy jsou nepochybné

    Nutnost zvyšovat technicko-ekonomickou úroveň firmy je na denním pořádku. Inovace zvyšují podnikovou konkurenceschopnost, kterou lze spatřovat zejména ve flexibilitě, tvorbě přidané hodnoty, efektivnosti a kvalitě. Také v oboru povrchových úprav je trendem automatizace a robotizace.

    Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

    Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

    Související články
    Ako zvýšiť kvalitu povrchových úprav

    Dokonale čistý a odmastený povrch dielov je základnou črtou pre všetky povrchové úpravy, ktorý má veľký vplyv na výslednú kvalitu produktu. Predovšetkým rôzne spôsoby nanášania kovov si vyžadujú starostlivú prípravu povrchu, aby sa zabránilo vzniku škvŕn, ktoré vznikajú v dôsledku povrchovej kontaminácie počas tvárnenia kovov.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Šetrné a účinné čištění těžko dostupných míst

    Klasické postupy čištění ve vodě se dostávají na hranice svých možností, když jde například o kapilární struktury nebo komplexní geometrie. Za takové situace se nově na scénu dostávají tzv. CNP technologie (Cyclic Nucleation Process). Tato technologie pracuje na principu cyklické nukleace (tvorby krystalových zárodků z přesycených roztoků).

    Kompozitní povlaky jako možná náhrada za povlaky na bázi CrIV

    Tento příspěvek se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, a to způsobu vytvoření kompozitní povrchové úpravy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení. Výsledkem provedeného výzkumu je technologický postup závěsového pokovení pro nový kompozitní povlak NiP-XLS, který by mohl nahradit povlaky na bázi CrIV.

    Zvýšení výkonu u tribo stříkání

    Stříkání práškových barev systémem tribo je založeno na fyzikálních principech, které do značné míry určují výsledné parametry stříkacího zařízení. Výrobce stříkacích pistolí je postaven před úkol navrhnout optimální konstrukci, která bude poskytovat nejlepší možný výstup, jakým je dostatečně nabitý prášek, který vystupuje v požadovaném množství a s použitelnou rychlostí z ústí nabíjecí trubice. Jak název napovídá, nabíjení prášku tribo je založeno na principu tření.

    Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

    Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

    Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

    V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

    Kompaktní řešení Zapoj a spusť

    Surffinisher je inovační metoda inline omílání vysoce kvalitních, geometricky složitých součástí během výrobního cyklu , která otevírá nové možnosti pro automatizované, vysoce přesné obrábění definovaných ploch jednotlivých součástí. Kompaktní omílací systém Zapoj a spusť lze snadno integrovat do výrobních linek.

    Vývoj epoxidových barev na konstrukce

    Trendem dnešní doby je snižování nákladů na nátěrové systémy na konstrukce. Tyto systémy jsou ve většině případů složeny ze základní nátěrové hmoty (NH) epoxidového typu a vrchního polyuretanového emailu. V rámci úspory nákladů byla vyvinuta NH, která plní funkci obou těchto nátěrových hmot, to znamená, že má antikorozní vlastnosti, splňuje funkci vrchní NH a je možné ji aplikovat pouze v jedné vrstvě.

    Předúpravy povrchů velkorozměrných ocelových konstrukcí

    V letech 2014 až 2016 budovala jako generální dodavatel firma S.A.F. Praha, spol. s r. o., technologická zařízení pro mechanické předúpravy povrchu, odmašťování a termické nástřiky ve výrobním závodě polské firmy Famet v blízkosti města Opole. Investor a uživatel vyrábí zařízení pro energetiku, plynárenský a ropný průmysl, jejichž součástí jsou velké ocelové svařence s hmotností do 250 tun.

    Jak zefektivnit proces stříkání práškovými barvami?

    Jak již název článku uvádí, bude se v něm pojednávat o aplikaci práškových barev. Konkrétně se jedná o méně známou a využívanou možnost automatizace a mechanizace stříkání, kterou jsou postřikové stěny.

    Funkční materiály pomocí depozice atomových vrstev

    Depozice atomových vrstev (ALD – Atomic Layer Deposition) je technologie využívající depozice tenkých vrstev na povrch substrátu s přesností v atomovém měřítku, založená na řadě reakcí výchozí látky v plynném stavu s povrchem substrátu. Většina ALD reakcí používá dvě chemické látky, které se nazývají prekurzory.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit