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 تکنیکEPD 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 روشEPD، 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 فرایندهایEPD 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 درEPD میباشند که حدود یک دهه قبل توسطDu 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 طریقEPD 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 باEPD گرافن و مواد برپایه گرافن در بخش فن آوریهای پیشرفته انجام شده است.
رسوب دهی الکتروفورتیکPTFE 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 تکنیکEPD کلیه سطوح با هر شکل هندسی (پیچیده و ساده) بطور منسجم و یکنواخت قابل پوشش دهی با مواد مختلف میباشند. با وارد کردنPTFE 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 اشعهUV میتوان فرایند الکتروفورتیکPTFE 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. یکDSSC معمولی از یک فتوآند نیمه هادی حساس شده رنگی ، یک الکترولیت حاوی زوجredox 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 تهیهCE 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 سنتیCEهای 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 ذراتZnO و TiO2به روش الکتروفورتیک به ویژه در بسترهای پلاستیکی میباشد.
تهیه مواد لمینت شده
مواد لایه بندی شده را نیز میتوان با کمکEDP 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 روشEDP پوشش دهی را انجلم داد که بدلیل تفاوت در ضخامت ظاهر پوشش بصورت لایه بندی میباشد.
نمونه ای از یک پوشش لایهای ازSiC/TiC حاصل از یک فرایند الکتروفورتیک
تهیه پوششهای هیبریدی به روشEPD
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 روشEDP میتوان به پوششهای مانند پوششهای حاویAl2O3 وZrO2 اشاره نمود.
ریزساختار کامپوزیتیAl2O3/ZrO حاصل ازEPD