Lớp phủ nano ceramic và khả năng chống mài mòn
Ngày nay, các lớp phủ cấu trúc nano với những tính chất vượt trội đang được sử dụng để thay thế cho các lớp phủ truyền thống. Đặc biệt đối với công nghiệp đúc và các nhà máy điện, lớp phủ nano đã chứng tỏ được tính hiệu quả trong sản xuất và kinh tế.
Việc sửa đổi bề mặt vật chất để tăng cường khả năng chống mài mòn và ăn mòn là một ứng dụng phổ biến hiện nay cả quân sự và thương mại. Lớp phủ chrome cứng là một trong những lớp phủ bảo vệ được sử dụng rộng rãi nhất. Lớp phủ ceramic, với hai dạng đơn pha hay vật liệu tổng hợp, cũng phổ biến và được sử dụng thường xuyên bằng phương pháp phun plasma. Trong quá trình này, các vật liệu lớp phủ (thường ở dạng bột ) được tiêm vào một dòng plasma, nơi nó được gia nhiệt và gia tốc về phía bề mặt chất nền. Sau khi tiếp xúc bề mặt nền ceramic nhanh chóng nguội đi và tạo thành một lớp phủ.
Cả lớp phủ chrome cứng và lớp phủ ceramic có thiếu sót nghiêm trọng, làm cho giới hạn giá trị sử dụng của chúng. Lớp phủ chrome khi sử dụng có liên quan đến nhiều chất độc hại. Tuân thủ các quy định an toàn môi trường khác nhau đã làm cho lớp phủ chrome ngày càng đắt tiền để sử dụng. Lớp phủ ceramic phun plasma hơi rẻ tiền hơn chrome (đã bao gồm các chi phí làm sạch), nhưng nói chung là dễ vỡ và có khả năng bám dính hạn chế lên các chất nền, đây cũng là một vấn đề đối với lớp phủ chrome. Nhu cầu cần tìm vật liệu lớp phủ tốt hơn ngày càng rõ ràng và đã có những nỗ lực đáng kể gần đây để tìm kiếm vật liệu thay thế.
Từ năm 1997, một nhóm các công ty, trường đại học và các cá nhân của hải quân Hoa Kỳ đã phát triển được một thế hệ lớp phủ ceramic mới với "cấu trúc nano" có khả năng chống mài mòn. Nhóm này được dẫn đầu Tập đoàn Inframat và Đại học Connecticut, và các thành viên bao gồm: Công ty A & A, Trường đại học Rutgers, Viện Công nghệ Stevens, Trung tâm nghiên cứu chiến tranh bề mặt của hải quân Hoa Kỳ (sư đoàn Carderock) và Nhà máy đóng tàu Puget Sound. Chương trình này được tài trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân và mục tiêu của nó là đạt được vật liệu có các tính chất cơ học và chống mài mòn tồt hơn vật liệu thông thường (tức là vật liệu với cấu trúc ở kích thước µm hoặc lớn hơn).
Vật liệu có cấu trúc nano được đặc trưng bởi một cấu trúc siêu mịn với một số kích thước vật lý nhỏ hơn 100 nanomet. Số đo này có thể là kích thước hạt, đường kính hạt hoặc sợi, hay độ dày lớp (Hình 1). Có hai lý do giải thích tại sao việc giảm quy mô cấu trúc vi mô của vật chất đáng kể có thể thay đổi thuộc tính của nó. Thứ nhất, khi kích thước hạt nhỏ hơn, tỷ lệ của các nguyên tử ở ranh giới hạt hoặc trên bề mặt tăng nhanh. Ví dụ trong một vật liệu đa tinh thể với kích thước hạt của 10nm, có đến 50% của các nguyên tử của nó đang ở ranh giới hạt, dẫn đến xuất hiện một loại vật liệu với các đặc tính khác xa so với bình thường. Lý do còn lại có liên quan đến một thực tế là nhiều hiện tượng vật lý (như sự phát sinh dịch chuyển, từ tính, hoặc các hiệu ứng giam lượng tử) được điều phối bởi độ dài đặc trưng. Khi kích thước vật lý của vật liệu giảm xuống nhỏ hơn chiều dài này, các tính chất sẽ thay đổi triệt để. Cho đến gần đây, những thay đổi trong biểu hiện biến dạng và các cơ cấu của hư hỏng vẫn chưa được hiểu rõ do không có khả năng phù hợp để chế tạo vật liệu chất lượng cao. Tình trạng này đang thay đổi nhanh chóng, nhờ vào sự tiến bộ đáng kể đạt được trong chế tạo vật liệu nano, cũng như sự hiểu biết về các mối liên hệ bên trong giữa quá trình, cấu trúc kích thước nano, và các tính chất vĩ mô.
Quá trình sản xuất lớp phủ nano – ceramic
Chiến lược được sử dụng để phát triển lớp phủ cấu trúc nano tập trung vào các cấu trúc tương tự với các lớp phủ truyền thống có sẵn hiện nay và sử dụng thiết bị hiện có sẵn để chế tạo chúng. Ở đây chỉ cấu trúc vi mô của lớp phủ được thay đổi, do đó nó đơn giản hóa rất nhiều cho các quá trình thực hiện công nghệ mới trong cả ứng dụng quân sự và thương mại.
Quá trình phun plasma, được dùng để chế tạo lớp phủ ceramic, tuy đơn giản về lý thuyết nhưng lại phức tạp khi sử dụng.
Một trong những lớp phủ được phát triển, một vật liệu tổng hợp nano – ceramic với thành phần là Al2O3 - 13 TiO2, đã khả năng chống mài mòn, liên kết chặt chẽ, và độ dẻo dai chưa từng có ở vật liệu ceramic, và hiện đang được sử dụng làm lớp phủ bề mặt tàu và tàu ngầm của Hải quân Hoa Kỳ, giảm chi phí bảo trì do mài mòn và ăn mòn.
Các tính chất của lớp phủ nano.
Các thông số rõ ràng dùng để đánh giá một lớp phủ "chống mài mòn" là tốc độ mài mòn. Sự mài mòn có thể được coi như là trượt hoặc hao mòn. Cả hai đều được đo bằng cách cho chạy một thiết bị đo có độ mài mòn trung bình bề mặt và đo trọng lượng bị giảm. Đối với nhiều lớp phủ, và đặc biệt đối với các vật liệu cứng giòn như ceramic, thông số này có thể gây hiểu nhầm. Lớp phủ cứng giòn thường không hư hỏng do mài mòn, mà là bị nứt, tróc lớp và vỡ. Quan trọng như khả năng chống mài mòn là sức liên kết (độ bám dính vào bề mặt) và độ dai (khả năng chịu được va chạm hoặc sức căng khi sử dụng). Đây là những tính chất mà các lớp phủ nano ceramic vượt trội với một mức độ đáng kể. Cụ thể như đối với khả năng bám dính của lớp phủ cấu trúc nano, được đo bằng phương pháp kéo căng cho kết quả gấp đôi so với lớp phủ truyền thống.