تأثير زمان لايهنشاني بر خواص ساختاري و فيزيكي پوششهاي كربني لايهنشاني شده با روش كندوپاش مگنتروني

مهدي ياري1*، مجيد مجتهدزاده2 و عبداله افشار3
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، گروه خوردگي، تهران، ايران
استاديار، پژوهشگاه علوم و فنون هستهاي، كرج، ايران
استاد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، گروه خوردگي، تهران، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 20/01/1390، تاريخ پذيرش: 26/03/1390)

چكيده
امروزه پوششهاي كربني، براي كاربردهاي تريبولوژيكي و سايش، الكترونيك، مواد زيستي و پيلهاي سوختي مورد استفاده قرار گرفته است. در اين تحقيق كه تلاش شده است خواص پوششهاي كربني لايهنشاني شده بر روي سطح فولاد زنگنزن L316 با روش رسوب فيزيكي فاز بخار كندوپاش مگنتروني، مورد بررسي قرار بگيرد، به جز زمان لايهنشاني ساير پارامترهاي لايهنشاني ثابت در نظر گرفته شده است. نتايج به دست آمده نشان داد كه پوششهاي كربني ايجاد شده ساختار آمورف تا نانوبلوري دارند. با افزايش زمان لايهنشاني اندازه خوشههاي گرافيتي در زمانهاي طولاني به دليل پديده چيدمان مجدد و برخورد ذرات پر انرژي كاهش مييابد. بر اساس مدل نواحي ساختاري (SZM) و تصاوير AFM ساختار پوششهاي كربني در ناحية يك يا ستوني قرار دارد. همچنين با افزايش زمان لايهنشاني، مقاومت الكتريكي سطحي به شدت زياد ميشود كه احتمالاً ناشي از وجود تنشهاي ذاتي فشاري است كه تحرك ناقلهاي الكتريكي را كاهش ميدهد. تأثير زمان لايهنشاني بر روي خواص خوردگي پوششهاي كربني كم و يا قابل چشمپوشي است.

واژههاي كليدي:
پوشش كربني آمورف، طيفسنجي رامان، چيدمان مجدد، مقاومت الكتريكي، خوردگي.

مقدمه
امروزه انواع پوششهاي كربني براي كاربردهاي زيادي مانند تريبولوژيك و سايش [1]، ديسكهاي ذخيرة دادهها [2 و 3]، بيولوژيك [7- 4]، نشر ميداني و كاتد سرد [2] مورد توجه قرار گرفتهاند [2 و 3]. با توجه به ساختار و نوع پيوندها، ويژگيهاي سطحي پوششهاي كربني در محدودة وسيعي تغيير ميكند. مقدار پيوندهاي 3sp و 2sp، مقدار هيدروژن اتمي در ساختار و ميزان نظم بلوري مهمترين عوامل مؤثر بر روي خواص پوششهاي كربني محسوب ميشوند. با تغيير اين عوامل انواع مختلفي از پوششهاي كربني به دست خواهد آمد [3]. در پوششهاي كربني آمورف كندوپاش شده، چگالي پيوندهاي 2sp نسبتاً زياد است. ضمناً مقدار اتم هيدروژن در ساختار اين نوع از پوششها بسيار كم است. اگر چه سختي در اين نوع از پوششها در مقايسه با پوششهاي كربني تتراهدرال و پوششهاي كربني هيدروژنه كمتر است، اما رسانندگي الكتريكي اين نوع از پوششها بالاتر است. امروزه اين نوع از
پوششهاي كربني در كاربردهايي مانند صفحات دوقطبي در پيلهاي سوختي كه مقاومت الكتريكي به همراه مقاومت به خوردگي بالا در محيط شديداً خورنده مورد توجه است [10- 4]، اهميت زيادي دارد. نويسندگان در تحقيقات گذشته تأثير دماي لايهنشاني بر روي خواص پوششهاي كربني را بررسي كردهاند. در اين تحقيق تلاش شده است، تأثير زمان لايهنشاني بر روي خواص ساختاري و فيزيكي مانند موفولوژي، مقاومت الكتريكي و خوردگي پوششهاي كربني لايهنشاني شده به روش كندوپاش مگنتروني مورد بررسي قرار بگيرد.

روش تحقيق
در اين تحقيق از فولاد زنگنزن L316 به عنوان زيرلايه استفاده شده است. زيرلايههاي انتخاب شده داراي ابعاد 3mm 1×10×10 و زبري سطح حدود nm 4/0 ميباشد. قبل از فرآيند لايهنشاني عمليات چربيزدايي دقيق توسط شستشوي نمونهها در استن انجام گرفت. عمليات لايهنشاني به روش تبخير فيزيكي فاز بخار با كندوپاش مگنتروني انجام شد. از يك ورق گرافيتي خالص به عنوان منبع اوليه كربن استفاده شد. پس از اعمال خلاء تا فشار كمتر از torr 4-10 × 5 هيتر روشن شده تا دماي زيرلايه به 300 درجه سانتي گراد برسد. براي ايجاد پلاسما از محيط گاز آرگون با خلوص بالا و فشار برابر با torr 3-10 × 7/5 استفاده گرديد.
زمان لايهنشاني نمونهها بين 8 تا 32 دقيقه با دقت 5 ± ثانيه متغير بود.
در اين تحقيق براي بررسي ساختار پوشش كربني و مطالعه پيوندها و چيدمان اتمهاي كربني در پوششهاي اعمال شده از طيفسنجي رامان استفاده شده است. براي اين منظور از دستگاه رامان با ليزر Nd-YAG، طول موج nm 532 و توان mW 10 استفاده شد. براي مشاهده مورفولوژي سطحي از ميكروسكوپ نيروي اتمي كمك گرفته شد. به منظور بررسي دقيقتر تصاوير به دست آمده، كيفيت تصاوير با كمك نرمافزار تخصصي با نام WSXM ver 3.0 ارتقاء داده شد. ضخامت پوششهاي كربني با استفاده از پروفايلمتر مكانيكي مدل DekTak 3 اندازهگيري شده است. اندازهگيري مقاومت الكتريكي پوششهاي كربني با روش چهار كاوه انجام شد. براي اين منظور از دستگاه مدل Keithly 236 استفاده شد. به منظور بررسي مقاومت به خوردگي پوششهاي اعمال شده آزمون پتانسيوديناميك براي تمامي نمونههاي لايهنشاني شده انجام گرديد. براي اين منظور از دستگاه پتانسيواستات مدل EG&G A273 استفاده شده است.
محلول آزمايشي يك محلول شبيهسازي تسريع شده محيط پيل سوختي با غشاء الكتروليت پليمري است. اين محلول شامل اسيد سولفوريك يك مولار و حاوي ppm 5 يون فلوئور (-F) است. از يك ميلة پلاتيني به قطر mm 2 و طول cm 4 به عنوان الكترود شمارنده استفاده شد. براي اندازهگيري پتانسيل نيز از الكترود كالومل اشباع (SCE)1 استفاده گرديد. قبل از شروع هر آزمايش براي رسيدن به پايداري مناسب، نمونهها به مدت 60 ثانيه در محلول آزمايشي قرار داده ميشوند. سرعت روبش پتانسيل mV/sec 1 در نظر گرفته شد.

نتايج و بحث
3-1- طيفسنجي رامان
طيفهاي رامان به دست آمده از سطح پوششهاي كربني لايهنشاني شده در شرايط مختلف در شكل (1) آورده شده است. طيفهاي رامان در محدودة شيفت رامان بين 1-cm 600 تا 1-cm 3000 ثبت شدهاند. به اين ترتيب امكان مشاهده هر نوع پيك ناشناخته در محدودة خارج از پيكهاي مربوط به كربن ميسر خواهد بود. اما با توجه به اينكه هيچگونه پيكي در اين محدوده ملاحظه نشد (به جز پيكهاي D2 و G2)، منحني طيفهاي رامان در محدودة شيفت رامان بين 1-cm 1150 تا

1400
1200
1600
1800
32
mi
n
mi
n
15
25
min
Raman Intensity (a.u)
Raman Shift (cm
-1
)
8
min

1400

1200

1600

1800

32

mi

n

mi

n

15

25

min

Raman Intensity (a.u)



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید