logo

logo

logo

logo

logo

الإلباس المعادن في الخلاء

الباس معادن في خلاء

Vacuum coating - Revêtement sous vide

الإلباس في الخلاء

سعيد صنديد 

الغاية من الإلباس

تقانات الإلباس في الخلاء

عمليات الإلباس

مميزات الإلباس تحت الخلاء

اختبارات المنتجات

 

الإلباس في الخلاء vacuum coating طريقة حديثة لإلباس السطوح بطبقات من مواد أخرى، في حيّز خلاء محكم وضغط نسبي منخفض، بتبخير المواد من منبعها، ثم تكثيفها على السطح المطلوب إلباسه، أو بإحداث تفاعل كيميائي أو تفكك لمركب أو مجموعة مركبات في أطوار بخارية وغازية متوازنة ويتم ذلك كله في حيز محكم وخلاء نسبي، يمكن أن يبلغ-109  تورّ torr (التورّ واحدة ضغط تعادل مليمتراً واحداً من عمود الزئبق) .

يمكن عملياً إلباس أي سطح بأي مادةٍ شريطة توافر إمكانية تبخيرها، والمحافظة على طور متوازن لبخار تلك المادة مع الغازات الخاملة الحاملة. و يمكن التحكم بسمك الطبقة المتوضعة من طبقة ذرية واحدة وحتى سمك 10 مكرونات عملياً، إضافة إلى إمكان تركيم طبقات من مواد نقية صرفة مختلفة، أو من خليطة، أو إلباس متعدد الطبقات، من مواد صرف مختلطة، أو مشوبة doped بذرات مواد مختلفة، وذلك بتحديد طريقة العمل وشروطه، وتسمى الطبقة المتوضعة الضئيلة الثخانة أقل من مكرون طبقة وقائية من الإلباس الرقيق thin film coating.

الغاية من الإلباس

يهدف إلباس السطوح إلى توضيع طبقة من مادة الإلباس على سطح المادة الركيزة المراد إلباسها لأغراض مدروسة. وقد حدثت تطورات كثيرة في العلوم الدقيقة والمدمجة، مما استدعى التعامل مع هذه التقانات للحصول على طبقات رقيقة ذات تطبيقات تتناسب مع التطورات التقانية، وقد وجدت هذه التقانة مجالاً واسعاً في الصناعات الكهربائية والإلكترونية مثل أنصاف النواقل والخلايا الضوئية والخلايا الشمسية والطلاءات الناقلة الشفافة والرقاقات المغنطيسية والعواكس الضوئية في السيارات والمرايا والمرشحات الضوئية وماصات الضوء والمرشحات الغازية، وكذلك وجد العديد من التطبيقات في بعض الأعمال الميكانيكية كتقسية السطوح وتحسين عملية التزليق ومقاومة الاحتكاك ومازالت تطبيقاتها في اتساع مع الوقت.

تسمح تقانة إلباس السطوح في الخلاء بإلباس المواد اللاعضوية والمعدنية والخلائط وبعض المواد العضوية بنقاوة عالية ودقة في نسب مكونات الخليطة المتوضعة، وارتباط شديد التماسك مع سطح الركيزة، وتسمح أيضاً بإلباس النتريدات للعديد من المعادن القاسية مثل الزركونيوم والتيتانيوم والكروم، كما تتيح الإلباس بالكربيدات والسيليكات وغيرها.

تقانات الإلباس في الخلاء

تتنوع تقانات الإلباس في الخلاء تنوعاً كبيراً، غير أنها تندرج تحت تصنيفين رئيسيين هما: الإلباس البخاري الفيزيائيphysical vapor deposition ، والإلباس البخاري الكيميائي chemical vapor deposition .

1 - تقانة الإلباس البخاري الفيزيائي وتجهيزاتها

يقصد بالإلباس البخاري الفيزيائي، مجموع العمليات التي تبدأ بتبخير المادة evaporation واستثارتها من المصدر ورشرشتها sputtering، ثم نقلها إلى سطح الركيزة وتكثيفها من دون حدوث تفاعل كيميائي في حيز من الخلاء الذي يمكن أن تتغير قيمته تبعاً لشروط عملية الإلباس التي تشمل نوع المادة والضغط ودرجة الحرارة في حيز العمل وطبيعة سطح المنتج.

يتكون حيز العمل الذي يسمى المفاعل reactor من غرفةٍ على شكل ناقوس لسهولة تنظيفها، أو غرفة مكعبة نظيفة وجافة وتتحمل الخلاء الشديد.

وفي حالة الإنتاج الكمي يزود المفاعل بمنظومة تخلية قوية مزودة بمضخات تعمل بمبدأ انتشار بقعة الزيت، الذي يتناسب مع ارتفاع حرارة الغرفة وأبخرة المواد، وقد طورت مضخات خاصة لهذه الغاية مثل المضخة العنفية الجزيئيةturbo molecular pump ومنظومة الضخ القرّية cryo-pumped system ، كما تزود المنظومة ببوابات خاصة للتحميل والشحن، عالية الكتامة، مع صمَّامات تتحمل الخلاء الشديد، وحمَّالات مناسبة لتنضيد المنتجات تصمم خصوصاً لتتناسب مع أشكالها وتأمين حركتها الدورانية في حيز العمل .

يُضبط الخلاء النسبي ويُقاس بمقياس تأيّن أو مقياس سعوي أو مزدوجة حرارية، ويقاس محتوى المخلفات من المكونات الملوثة في غازات العادم عن طريق المقياس الطيفي الكتلي.

إن لتسخين المنتجات دوراً في تحسين قوة الارتباط بين الطلاء والسطوح الملبسة، تسخن هذه الأجسام بعدة طرائق منها التسخين الإشعاعي من منبع كوارتزي، أو التسخين بوشيعة كهربائية Coil أو التسخين بالحزمة الإلكترونية الانتشارية.

إن الحصول على الطور البخاري للمادة من الحالة الصلبة أو السائلة من أهم وسائل الإلباس في الخلاء، بحيث تصنف طرائق الإلباس على أساس طرائق التبخير والإنتثار. ومنها التبخير بوشائع التسخين المصنَّعة من التنغستين والموليبدنيوم، والمغلَّفة بالخزف فيما يخص المواد ذوات درجات التبخر الأعلى. أما التسخين بالإشعاع فيكون بلف بوتقة المادة بوشائع التسخين، أما البوتقات المصنوعة من نتريد البوريوم مع بوريد التيتانيوم BN-TiB2 فهي شديدة التحمل للحرارة وقابلة للتسخين تحريضياً.

وقد يولد بخار المادة بتسليط قوس كهربائية مباشرة على سطح منبع المادة arc source، عن طريق تفريغ تيار عالي الشدة ومنخفض الكمون بين المادة والقطب إذا كانت المادة ناقلة للكهرباء، وهي أكثر طرائق التبخير شيوعاً، أو تسليط بقذف حزمة أشعة إلكترونيةelectron beam على سطح المنبع أو البوتقة التي تحوي على صهارة المادة. وتحدد الطريقة الملائمة تبعاً لدرجة حرارة تبخر مادة المنبع وتوازن ضغط الطور البخاري مع غاز غرفة العمل، إضافة إلى اعتبارات الطاقة الترموديناميكية، التي تؤمن تكون نوى التوضعاتnucleation ونموها على سطح الركيزة، ويستمر الإلباس حسب الحاجة، وقد يصل الخلاء النسبي حتى -9 10 تورّاً.

وثمة تقانة للتبخير بالشعاع الإلكتروني باستخدام المسدسات الإيونية، أو مسدسات البلازما، والتي شاعت لدورها في توليد بخار عالي النقاوة. كما شاع كذلك استعمال منابع الأشعة الليزرية ومنابع الترددات الراديوية radio frequency.

يبدأ الإلباس بتحريض سطوح المنابع لتلفظ الجزيئات وترشها sputtering وتَقذفها من على سطوحها بطرائقٍ مختلفةٍ تبعاً لمنهج العمل، مثل البلازما، أو يقذف السطح بالجزيئات المسرِّعة بالمغنترون أو الموجات الراديوية. وتلعب ذرات الأرغون المؤينة +Ar دوراً جيداً في هذه الاستثارة. ومن ثم توجه الجزيئات والدقائق المستثارة من القطب السالب نحو الركيزة التي توضب لتكون القطب الموجب، لتتكاثف عليها طبقات تختلف بنيتها وسماكاتها وكثافاتها، تبعا للطريقة المتبعة وشروطها.

يعطي التبخير بحزمة الشعاع الإلكتروني electron beam evaporation، معدل ترسيب يصل حتى 25 مكروناً في الدقيقة، ويُثبِّت المنبع قريباً من الركيزة، التي تسخن حتى الدرجة 1000سْ، ويحافظ على حرارته عند تلك الدرجة طوال عملية الإلباس.

وفي حال استثارة سطح المنبع بغاز الأرغون المتأين +Ar ينخفض معدل الترسيب حتى 9 مكروناً في الدقيقة تقريباً، وتُثبَت الركيزة على بعد 4 - 6 سم تقريباً من المنبع لكي يتم التحكم ببخار المادة وتوجيهه نحو الركيزة. وتراوح طاقة الإلكترون المستخدم في التأيين بين 50 حتى 100 إلكترو- فولط ، ولا تستدعي هذه الطريقة تسخيناً للركيزة، وتتيح إلباس معظم المواد وبترابط داخلي جيد بين المكونات.

تنتج طريقة التبخير التفاعلي المنشطactivated reactive evaporation توضعات ناعمة الحبيبات وقاسية جدا ذات ترابط قوي كمركبات السرمت Ti-Ti2N-TiN الذي يبقى توازنه الطوري ثابتا في درجات حرارة غرفة الإلباس. وقد أدى ذلك إلى التوسع في تطبيقاته على أدوات قطع المعادن.

أما الإلباس الخلائطي فينفذ بإدخال أكثر من منبع للمادة، ويتم التحكم بمكونات الخليطة بضبط شروط عمل كل منابعها وضبط معدل استثارة كل منها. ويؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تكوين جزيئاتٍ أصغر تنتج طلاء بقساوةٍ عاليةٍ وارتباطٍ قوي مع سطح الركيزة.

ومن الطرائق الحديثة الأخرى الاستعانة بالبلازما للحصول على بخار المادة واستثارتها في عمليات الإلباس. وهي في معظمها تخدم الاحتياجات المتطورة لإلباس مركبات ومكونات خلائطية رقيقة أو ثخينة.

أما أحدث هذه الطرائق فهي منظومة الإلباس الإيونيion plating system (الشكل 1) ومنظومة الزرع الإيونيion implantation ، (الشكل 2) وفي هاتين الطريقتين تؤين جزيئات المادة وتوجه لتترسب كإيونات موجبة على الركائز المهبطية، وترتبط بشدة على سطحها مع إمكانية التحكم بسمكها، وبنيتها بحسب الحاجة.

الشكل (1): منظومة الإلباس الإيوني
 
الشكل (2): نظام الزرع الإيوني الموجه

 

وفي طريقة الزرع الإيوني يتم زرع أنواع من ذرات معينة في بنية سطح الركيزة، إذ تُسرَّع هذه الإيونات في مسرعات مناسبة، وفي خلاء معتدل ثم توجه نحو الركيزة، ويتم التحكم بتركيز الذرات المزروعة ونسبتها وسرعة زرعها، لتعديل مواصفات السطح حسب الحاجة.

وقد طورت هذه الطريقة لتعمل على التناوب مع عملية الإلباس البخاري الفيزيائي مع الزرع الإيوني، وتشكيل خلائط عامة، أو موضعية، مما ساعد في تحسين الارتباط بسطح الركيزة. ونجحت هذه الطريقة في زرع جزيئات المادة على عمق 0.2 ميكرون من سطح الركيزة.

2 - تقانة الإلباس البخاري الكيميائي وتجهيزاتها

وهي طريقةٌ يتم فيها إلباس مركّباتٍ صلبةٍ على سطح جسم ما، بإحداث تفاعل أو تفكك كيميائي في طور بخاري متوازن ينتج ذرات أو جزيئات لتتوضع طلاءً على السطح المحضر سلفاً. ينمو هذا الطلاء ويزداد ثخنه مع طول مدة العملية. ويتم التحكم بمسار التفاعل وسرعته وطاقته الكيميائية الحركية بتوفير مجموعة من الشروط الترموديناميكية (حرارة، ضغط، أطوار بخارية متوازنة) للسيطرة على معدل تكون طبقة الإلباس ومواصفاته.

تؤثر كتلة غرفةِ المفاعلِ وخصائصه الحرارية وأبعاد المنتج وشكله في نتائج هذه العملية .

وفي ما يلي نموذجان لعملية تفكك مكونٍ وتفاعلٍ، لإلباس التيتانيوم الصرف:

عملية فان آركل Van Arkel Process الوصف: D:\يوسف  سكاف 2018-1-10\المجلد 3 تقانة 1\428\Image288845.jpg

عملية كرول Kroll Process الوصف: D:\يوسف  سكاف 2018-1-10\المجلد 3 تقانة 1\428\Image285110.jpg

تلعب شروط العمل والاختيار الصحيح لنوع التفاعل دوراً رئيسياً في مواصفات التوضع، وتعد تلك الشروط من أسرار هذه التقانة. مع أن هذه الطريقة محدودة التطبيقات نسبياً. وتمتاز هذه الطريقة بإمكانية إلباس سطوح منخفضة درجة الحرارة نسبياً، وهذا ما جعلها من أهم طرائق تصنيع أنصاف النواقل السليكونية بسبب إمكان ضبط تسمّك وتنضيدepitaxy الطبقات، وإمكانية ترسيب المركبات المتعددة السليكون Si3 N4 وأكسيد السليكون SiO2 بالتناوب إن لزم الأمر.

كذلك تختص هذه التقانة في إلباس الخزف العادي والسرمتcermet وكثير من الأكاسيد والنتريدات والكربيدات على المواد المركبةcomposite ، بالاستعانة بالبلازماplasma assisted، وتنشيط التفاعل بوساطتها plasma enhanced وقد ساعد ذلك على اتساع تطبيقاتها العملية.

تحدد طبيعة الإلباس الناتج ومواصفاته استناداً إلى الخبرة العملية، والنماذج الابتدائية المدروسة، للحد من المرفوضات. وقد حاز الترابط الشديد بين الركيزة واللبوس على اهتمام كبير لتطبيقاته المختلفة كإلباس كربيد الزركونيوم ZrC-C على ركيزة من الغرافيت–موليبدنيوم أو إلباس (تيتانيوم-بورون-آزوت) Ti-B-Nعلى ركيزة من نتريد التيتانيوم TiN المُلبَّد sintered.

عمليات الإلباس

تنفذ عمليات الإلباس في حيزٍ مغلق يسمى المفاعل، وهناك نوعان من المفاعلات، مفاعل الأنبوب المغلق، ومفاعل الأنبوب المفتوح. ويتميز الأنبوب المغلق بإمكانية عكس التفاعل بتغيير درجة الحرارة، وإمكانية إعادة تدوير بعض النواتج الغازية. أما طريقة الأنبوب المفتوح، وهي الطريقة الأكثر شيوعاً فلا تُدوَّر فيها المواد.

بعد أن تضبط الحرارة ونشاط المواد المتفاعلة، يتم التحكم بمعدل تدفق الغاز الحامل للبخار وثبات الضغط (الخلاء)، من خلال مجموعة صمامات تناسبية، ومضخات تفريغ خاصة.

قبل بدء عملية الإلباس، تُحضر العينة بتنظيفها من الملوثات العضوية واللاعضوية، كما هو الحال في كل عمليات الإلباس، وتحجب السطوح المطلوب عزلها كلياً أو جزئياً، ثم تسخن الركيزة إلى درجة الحرارة المطلوبة بالتسخين المباشر بالتماس مع منبع حراري أو بالإشعاع أو بتسخين المفاعل مباشرة عن طريق سخانات داخل جدران الفرن.

وفي حالات الإنتاج الكمي تصمم المفاعلات هندسياً بحيث تلائم المنتجات المطلوب إلباسها، ويعد الحامل وموقعه وحركته من العوامل المهمة لإنجاح عملية الإلباس، وذلك بأن يتم التحكم بحركته في مجال الدوامات الغازية وبسرعة مناسبة، لضمان تلامس المنتجات مدة كافية مع الوسط المحيط لحدوث التفاعل وتوضع مواد الإلباس توضعاً صحيحاً على سطوحها. وإن استخدام مروحة داخل المفاعل لتدويم الأبخرة الغازية حول المنتجات يحقق إلباساً متجانس الثخانة والبنية الداخلية.

مميزات الإلباس تحت الخلاء

تلعب البلازما دوراً مهماً في تحريض التفاعل الكيميائي وتنشيطه في الطور الغازي المتوازن تحت ضغطٍ منخفضٍ، ودرجة حرارة عالية، لتشكيل دقائق متناهية في الصغر، تعطي طلاءً دقيقاً ناعماً، كما ساهمت في إيجاد تطبيقات واسعة جدا في مجال الإلباس الرقيق thin film coating المستخدم في الإلكترونيات الصغرية والبصريات والخلايا الفوتوفولطية photo-voltaic cells ولواقط الطاقة الشمسية. وأهم ميزات هذه الطريقة إمكان تنفيذ الإلباس من دون الحاجة إلى تسخين سطوح المنتجات لدرجات حرارة عالية، وتُعطي معدلاتِ ترسيبٍ أعلى من أيَ طريقةٍ أخرى في مجال الإلباس البخاري الكيميائي.

كما تميزت البلازما بتوفير إمكانية إلباس العديد من الخلائط والمركبات التي لا يمكن إلباسها بأي طريقة أخرى، لمرونة شروط عملها وقابليتها لتعديل الضغط والحرارة، وخاصة إلباس المنتجات المعقدة والمختلفة الأشكال كالأسلاك والألياف، والرقاقات والصفائح. وباختيار التفاعل المناسب والكيميائيات غير المطلقة للهدروجين يمكن تجنب تقصُّف التوضعات نتيجة لامتصاص الهدروجين (الشكل 3).

 
الشكل (3): الإلباس بالبلازما في الخلاء

كذلك وفرت هذه الطريقة ميزة التحكم بنسب المكونات الكيميائية للطبقات المتشكلة، وبنيتها الكيميائية خلال مراحل العمل، وإمكان جعل التوضع متنامياً progressive أو ممزوجاً مع المكونات الأخرى، إضافة إلى التحكم في حجم حبيبات التوضع ودرجة نقاوته وتجانسه البنيوي.

وقد أتاحت طريقة الإلباس البخاري الكيميائي بمساعدة البلازما طلاء أكسيد الألمنيوم ونتريده، والبورون وكربيده ونتريده وأكسيده، والتيتانيوم وكربيده ونتريده وأكسيده، وإلباسات أخرى للصناعات الإلكترونية وأنصاف النواقل مثل الجرمانيوم، والزركونيوم، والسليكون وكربيده ونتريده وأكسيده، وإلباس مجموعة مركبات مجتمعة أو متناوبة.

أسهم إدخال الليزر من أنواع مختلفة، أهمها ليزر ثنائي أكسيد الكربون، في توسع مجال هذه التقانة لتجد لها مكاناً مهماً في إلباس النيكل، أو كربيد التيتانيوم فوق سطح من الكوارتز، وكذلك إلباس طبقة رقيقة شفافة وناقلة من مزيج أكسيد القصدير SnO2 وأكسيد الإنديوم InO4.

كذلك وفر الليزر منبعاً حرارياً نظيفاً، محدود التشويه للمنتجات بسبب الحرارة، مع إمكانية التسخين والتبريد السريعين، مما يفتح آفاقاً لهذه التقانة، آخرها إلباس بعض المنتجات ببلورات من الغرافيت، أو الألماس ابتداءً من غاز الميثان .

اختبارات المنتجات

تولي اختبارات مطابقة المنتجات للمواصفات المطلوبة أهمية خاصة مثل اختبار مقاومة الحت ومقاومة الخدش الذي يتم بألماسة موشورية تتحرك فوق سطح العينة وتحدد الحمل الذي تنهار عنده الطبقة. ويقاس سمك الطبقات الرقيقة بطريقة كالو calo tester أو طريقة الكرة (الشكل4)، حيث يقاس الأثر الذي تتركه كرة ذات قطر معروف تحت حمل محدد، وتقاس القيمةX والقيمة Y . كما تقاس قساوة التوضعات بجهاز مقياس القساوة المكروي.

وتتطلب معايير السلامة والبيئة إيلاء معالجة الغازات الناتجة عن عملية الإلباس البخاري الكيميائي عناية خاصة وعدم تلويث الهواء لها، وتمريرها في محاليل ماصة، وإعادة تدويرها، أو إتلاف السامة منها بحسب القواعد والأنظمة المرعية في معالجة المخلفات السامة.

 
الشكل (4): طريقة كالو لقياس سماكة طبقة الإكساء

 مراجع الاستزادة:

- D. M. Mattox. The Foundations of Vacuum Coating Technology. Pringer, 26 April 2004.    

- D. S. Rickerby. Advanced Surface Coating: A Hand Book of Surface Engineering (Material Engineering Centre, Harwell Laboratory. Chapman and Hall, New York. First Published 1991.    

- Lambert M. Surhone. Miriam T. Timpledon and Susan F. Marseken. Vacuum Engineering: Vacuum. Pressure. PCC Coating. Glass Colouring. Vacuum Coating. Negative Pressure. Suction.      Betascript Publishing. 2010.    

- M. G. Hocking. V. Vasantasree. P.S. Sidky. Metalic & Ceramic oating (Production. High Tempreature and Application). Longman Scientific & Technical. First published 1989.    

- Lambert M. Surhone. Miriam T. Timpledon and Susan F. Marseken. Vacuum Deposition: Atmospheric Pressure. Vacuum. Optical Coating. Ion Plating. Sputter Deposition. Cathodic Arc Deposition. Spin Coating . Betascript Publishing, 18 Jun 2010.    

- Thermal Expansion of Vacuum Plasma Sprayed Coatings. U.S. Government, 2011.    

Donald M Mattox. Educational guides to vacuum coating processing. Society of Vacuum Coaters, 2001.    


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد الثالث
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 580
الكل : 27461469
اليوم : 71506