مقدمه ای بر رسوب دهی به روش الکتروفورتیک

رسوب دهی الکتروفورتیک(EPD)  یک فرایند دو مرحله­ ای است که در طی آن ذرات باردار معلق در یک سوسپانسون تحت تاثیر یک میدان الکتریکی به سمت الکترود با بار مخالف خود حرکت می­کنند و سپس بصورت یک فیلم متراکم روی الکترود ترسیب می­شوند. EPD یک تکنیک چند منظوره است که می­تواند برای هر جامد پودری که بتواند یک سوسپانسیون پایدار تشکیل دهد مورد استفاده قرار بگیرد. در تکنیک EPD در صورت تشکیل یک سوسپانسیون پایدار محدودیت سایز ذرات چندان اهمیتی ندارد و ذرات میکرو تا ذرات با سایز نانو در این روش قابل استفاده می­باشند. علاوه بر این، فارغ از شکل هندسی ذره، EPD همچنین قابل استفاده برای مولکول­های پلیمری، نانوتیوب ها، نانو لوله ­ها، نانو صفحه­ ها و نانو میله ­ها نیز می­باشد. بعبارتی هر ذره­ای با هر مورفولوژی از ذره مسطح گرفته یا استوانه­ای تا ذرات متخلخل، الیاف­ ها ذرات سه بعدی و رنج وسیعی از مواد (رسانا) در این تکنیک قابل استفاده می­باشند. علاوه بر این، EPD تکنیکی است با زمان فرایند نسبتا کوتاه، ساده، به لحاظ تجهیزات نسبتا کم هزینه و قابلیت ایجاد پوشش با یک نواختی بسیار خوب و کنترل ضخامت پوشش است. از طرفی از این تکنیک برای ایجاد پوشش در سطوح بسیار کوچک تا سطوح بزرگ می­توان استفاده نمود. یکی از نکات مهم در روش EPD، ایجاد یک محلول سوسپانسیون پایدار با استفاده از یک محیط سیال مناسب می­باشد. حلال­های آلی مانند الکل­ها و کتون­ها بدلیل دانسیته نسبتا بالا، پایداری شیمیایی خوب و هدایت پایینی که دارند از جمله حلال­ هایی هستند که در این روش عمدتا استفاده می­شوند. هرچند سمیت این ترکیبات در کنار هزینه نسبتا بالا و قابلیت اشتعال پذیری آنها جزو معایب عمده این ترکیبات می­باشند. به عبارتی، یک محیط آبی هم از نظر اقتصادی و هم از نظر محیط زیست نسبت به حلال­ های آلی مقرون به صرفه ­تر می­باشد و می­تواند برای مواد حساس نیز مورد استفاده قرار بگیرد. مهمترین ایراد فرایندهای EPD بر پایه حلال آبی، تمایل الکترولیز آب در ولتاژهای پایین است. هرچند این مشکل را می­توان با به حداقل رساندن هدایت یونی آب یا با استفاده از جریان پالسی تا حدود زیادی مرتفع نمود.

تفاوت میان فرایند رسوب دهی الکتروفورتیک (EPD) و فرایند رسوب دهی الکترولیتی(ELD)

تفاوت اصلی میان (EPD) و (ELD) این است که فرایند اول بر اساس سوسپانسیونی از ذرات در حلال انجام می شود، در حالی که فرایند دوم بر اساس محلولی از نمک ها مانند مواد یونی انجام می شود. دو نوع رسوب دهی الکتروفورتیک وجود دارد؛ در واقع بسته به اینکه رسوب دهی بر روی کدام الکترود بوقوع بپیوندد، دو نوع رسوب دهی داریم. وقتی ذرات دارای بار مثبت هستند، رسوب دهی بر روی کاتد رخ می دهد و فرایند، رسوب دهی الکتروفورتیک کاتدی نامیده می شود. رسوب دهی ذرات با بار منفی بر روی الکترود مثبت (آند)، رسوب دهی الکتروفورتیک آندی نامیده می شود. با اصلاحات مناسب بار سطحی ذرات، هر دو نوع رسوب دهی قابل انجام است.

جدول یک 

مقایسه کاربرد های آبکاری برقی با الکتروفورتیک

خواص                                                  آبکاری الکتروپلتینگ                                             رسوب دهی الکتروفورتیک

           انتقال ذرات پوش                                                یونهای فلزی                                                     ذرات جامد                                  

 نیروی محرک رسوب گذاری                                             احیا یونها                                                           ندارد                                      

                                    نیاز به هدایت محلول                                                        زیاد                                                               کم

 محلول ترجیحی                                                          آب                                                              معدنی                             

کاربردها

رسوب دهی الکتروفورتیک ترکیبات نانو بر روی سطح قطعه

در سال­های اخیر، EPD توجهات بسیاری را بویژه در زمینه نانوفناوری به خود جلب کرده است. زیرا سوسپانسیونهای ذرات می­توانند برای ایجاد پوشش­های نانو ساختار پیشرفته و فیلم­های در سایز نانو با خواص ارتقا یافته استفاده شوند. هدف از این ساختارهای نانو دست­یابی به پوشش­های نانو کامپوزیتی قوی و همچنین تهیه فیلم­های نانو ساختار برای کاربردهای الکترونیکی، پزشکی، نوری، کاتالیستی و الکتروشیمیایی است. در زمینه نانو مواد کربنی، نانو تیوبهای کربنی یکی از پیشتازان این عرصه در EPD می­باشند که حدود یک دهه قبل توسط Du و همکاران مطرح شدند. از جمله کاربردهای این پوشش­ها استفاده در سنسورهای  گازی، داربست­های پزشکی، سلول­های سوختی و دستگاه­های تابشی را می­توان نام برد. سوسپانسیونهای نانو ذرات الماس برای ایجاد یک لایه از پوشش گرافن از طریق EPD و آماده سازی حرارتی مورد استفاده قرار گرفته­اند. اخیرا تحقیقات رو به گسترشی با امید یافتن مسیری در جهت بهره برداری از خواص فیزیکی منحصر به فرد گرافن در ارتباط با EPD گرافن و مواد برپایه گرافن در بخش فن آوریهای پیشرفته انجام شده است.

رسوب دهی الکتروفورتیک PTFE بر روی سطح قطعه

یکی از مهمترین دغدغه­های صنایع بویژه صنایع درگیر با قطعات پلاستیکی، مربوط به اصطحکاک حاصل از ساییده شدن سطوح قطعات بر روی یکدیگر است. از اینرو تلاش­های بسیار زیادی در ارتباط با کاهش این عامل ناخواسته انجام شده است. یکی از مواردی که بسیار مورد استفاده است، بکارگیری یک لایه تفلونی بر روی سطوح کار می­باشد. تفلون در بین سایر ترکیبات کمترین میزان ضریب اصطحکاک را دارا می­باشد. اما عموما ایجاد یک لایه یکنواخت بر روی سطح قطعه از نظر عملی ناممکن یا از نظر اقتصادی بسیار هزینه بر است. این مسئله بویژه در مورد سطح پیچیده یا ظریف به وضوح قابل لمس است. با استفاده از تکنیک EPD کلیه سطوح با هر شکل هندسی (پیچیده و ساده) بطور منسجم و یکنواخت قابل پوشش دهی با مواد مختلف می­باشند. با وارد کردن PTFE در ساختار پلاستیکها و قطعات فلزی که نیاز به حرکت آزاد با حداقل اصطحکاک دارند بسیاری از مشکلات صنایع مربوطه مرتفع می­گردد. در ارتباط با پلاستیک­ها با استفاده از پخت توسط اشعه UV می­توان فرایند الکتروفورتیک PTFE و پخت را در زیر دمای نرم شوندگی پلیمر انجام داد. به این ترتیب می­توان ترکیبات پلاستیکی سبک با حداقل ضریب اصطحکاک و سازگار با محیط زیست را برای اهداف گوناگون تهیه نمود.

تهیه سلول­های خورشیدی حساس شده رنگی به روش الکتروفورتیک

سلول­های خورشیدی حساس شده رنگی (DSSCs) بدلیل هزینه پایین و روش­های ساده تولید بعنوان نسل جدیدی از سلول­های خورشیدی مورد توجه بسیاری از دانشمندان قرار گرفته­اند. یک DSSC معمولی از یک فتوآند نیمه هادی حساس شده رنگی ، یک الکترولیت حاوی زوج redox و یک الکترود همراه (CE) تشکیل شده است. CEعملا نقش جمع آوری الکترونها از جریان خارجی و کاتالیز کاهش زوج رداکس را برعهده دارد. تا به امروز از مواد مختلفی جهت تهیه CE استفاده شده است که از جمله آنها می­توان به پلاتین، کربن، پلیمرهای رسانا و سولفید کبالت اشاره کرد. در این میان مشخص شده است که پلاتین بهترین نتیجه را فراهم می­کند. بطور سنتی CEهای برپایه پلاتین را از طریق تجزیه حرارتی پیش ماده پلاتین در دمای بالای 390 درجه سانتی گراد تهیه می­کنند که محصول نهایی خواص کاتالیستی و مکانیکی خوبی را نشان می­دهد اما در مواردی که بستر کار پلاستیک­هایی همچون پلی اتیلن ترفتالات و یا پلی اتیلن نفتالن باشد این فرایند به دلیل دمای بالای فرایند قابل اجرا نمی­باشد. در این موارد استفاده از ترسیب الکترو فورتیک نانو ذرات پلاتین بهترین نتیجه را ایجاد می­کند. از جمله سایر ترکیبات مورد استفاده در ساختار فتو آندها استفاده از نانو ذرات ZnO و  TiO₂به روش الکتروفورتیک به ویژه در بسترهای پلاستیکی می­باشد.

تهیه مواد لمینت شده

مواد لایه بندی شده را نیز می­توان با کمک EDP تهیه نمود. زمانیکه اولین لایه با ضخامت مناسب  بر روی قطعه تشکیل شد، الکترود مربوطه را می­توان به محلول سوسپانسیون دوم انتقال داد و لایه دوم که می­تواند ترکیب کاملا متفاوتی نسبت به لایه اول داشته باشد را بر روی آن تشکیل داد. مجدادا می­توان الکترود را در محلول سوم فرو برده یا وارد محلول اول کرده و به این ترتیب یک رسوب لایه بندی شده متفاوت یا متناوب تهیه نمود. نوع دیگری از پوشش لایه بندی شده را می­توان تنها با استفاده از یک محلول سوسپانسیون ولی با گرادیان غلظت­های متفاوت تهیه نمود. یعنی غلظتهای متفاوتی از یک سوسپانسیون مشابه تهیه نمود و به روش EDP  پوشش دهی را انجلم داد که بدلیل تفاوت در ضخامت ظاهر پوشش بصورت لایه بندی می­باشد.                                                                                                       

نمونه ای از یک پوشش لایه­ای از SiC/TiC حاصل از یک فرایند الکتروفورتیک

تهیه پوشش­های هیبریدی به روش EPD

در آخرین مورد هم می­توان به تهیه پوششهای هیبریدی با خواص بسیار ویژه اشاره کرد. کامپوزیتهای مواد آلی-معدنی نسبت به پوشش­های قدیمی و تک جزئی ویژگیهای بسیار چشمگیری را نشان داده­اند. بیشتر ترکیبات هیبریدی برپایه سیلانهای عامل دار شده با ترکیبات آلی هستند که یک اسکلت اصلی سیلوکسانی دارن که قادر به حمل یک عامل آلی می­باشند. از حمله پوشش­های هیبریدی به روش EDP می­توان به پوشش­های مانند پوششهای حاوی Al₂O₃  وZrO₂ اشاره نمود.

ریزساختار کامپوزیتی Al₂O₃/ZrO حاصل از EPD