متالیزاسیون پلیمرها و کامپوزیت های ماتریس پلیمری با پاشش سرد: از دیدگاه تحقیق و توسعه
درمان های سطحی بر روی مواد پلیمری اغلب برای تقویت خواص مکانیکی و فیزیکی استفاده می شود. پاشش سرد یک تکنیک متالیزاسیون است که راه حل مطمئنی برای غلبه بر معایب اصلی تکنیک های پردازش پاشش حرارتی معمولی مرتبط با تخریب سطح در دماهای بالا فراهم می کند. این بررسی مروری انتقادی بر متالیزاسیون پلیمرها و کامپوزیت های ماتریس پلیمری با استفاده از پاشش سرد ارائه می دهد. این یک مطالعه به بررسی رویکردهای مختلف، مکانیسم های پیوند، روش های پاششی و پارامترهایی می پردازد که بر عملکرد رسوب گذاری و خواص پوششی آن تأثیر می گذارد. توسعه این یافته ها در آینده با استفاده از متالیزاسیون بسترهای پلیمری به طور گسترده انجام خواهد شد.
مواد پلیمری از خواص مفیدی مانند وزن سبک، شکل پذیری و همچنین مقاومت در برابر خوردگی برخوردار هستند. مواد پلیمری در طول سالیان متمادی به کاربرد روزافزونی در حوزه هوافضا، خودرو سازی، صنعت ساختمان، بسته بندی و انرژی دست یافتند. پلیمرها معمولاً به سه گروه بزرگ طبقه بندی می شوند که رفتارهای مکانیکی و حرارتی متفاوتی از خود نشان می دهند: ترموپلاستیک ها، ترموست ها و الاستومرها. این مواد از خواص مانند حساسیت به ترکیب شیمیایی، تغییر طول زنجیره، درجه انشعاب و مواد افزودنی برخوردار هستند. آنها همچنین به عنوان ماتریس یا فاز اولیه در کامپوزیت های ماتریس پلیمری (PMC) استفاده می شوند. در ترکیبات پلیمری، از معایبی مانند رسانش الکتریکی ضعیف، مقاومت فرسایشی و سایشی، و عملکرد ضعیف در دمای پایین رنج می برند. متالیزاسیون پلیمرها و سطوح PMC راه حل مناسبی برای غلبه بر این محدودیت ها، افزایش رسانش الکتریکی، رسانش حرارتی، محافظت از تداخل الکترومغناطیسی، فرسایش و حفاظت در برابر تشعشع هستند. این موضوع زمینه را برای تحقیقات گسترده فراهم کرد. با این حال، تعداد کمی از این تحقیقات CS را به عنوان یک تکنیک پوششی در نظر گرفتند. متالیزاسیون پلیمری در کاربردهای متفاوتی همچون زیبایی شناسی، توسعه سیستم الکترونیکی و حفاظت از قطعات پلیمری با استفاده از تکنیک های متالیزاسیون معمولی مانند رسوب بخار فیزیکی (PVD) و رسوب بخار شیمیایی (CVD) گنجانده شده است. مشکلات عمده مرتبط با این تکنیک ها (استفاده از خلاء) عبارتند از محدودیت در اندازه قطعه، ضخامت پوشش (نه بیشتر از 10 میکرومتر) همراه با هزینه بالای پردازش. پلاتینگ الکترولس فلزات و رسوب لایه نازک آلیاژها بر روی بسترهای عایق مانند پلیمرها، شیشه و سرامیک را فراهم می کند. سایر تکنیک های سنتی به کار گرفته شده شامل پاشش حرارتی دمایی می شود. در این حالت ذرات فلزی با استفاده از منابع انرژی بالا مانند تکنیک های پلاسما و شعله شتاب می گیرند که رسوب گذاری در حالت مذاب یا نیمه مذاب را افزایش می دهد.
رسوب گذاری تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند سرعت و دمای ذرات برخورد کننده، زبری و دمای سطح بستر، زاویه نسبی بین مسیر ذرات و زیرلایه در هنگام ضربه قرار می گیرد. محدودیت های اصلی تکنیک های پاشش حرارتی شامل ایجاد شعله های دمای بالا و اعوجاج سطح زیرلایه است که در هنگام ضربه ذرات مذاب و مواجهه با دمای بالا اتفاق می افتد. اتصال ناقص پاشش در پودرهای درشت می تواند تخلخل را افزایش دهد. پوشش های اسپری شده حرارتی در معرض اکسیداسیون اکسیژن از هوای محیط قرار می گیرند. روش های پاشش حرارتی معمول برای استفاده در اینترمتالیک، نانوفاز و مواد آمورف به دلیل تجزیه مواد ته نشین شده چالش برانگیز هستند. در مواد با دمای پردازش پایین مانند پلیمرها، استفاده از پاشش حرارتی به دلیل معایب ذکر شده در بالا محدود است. این مطالعه به بررسی تکنیک پاشش حرارتی اعمال شده در بسترهای پلیمری با تمرکز بر جنبه های مختلف مانند فرایند آماده سازی سطح، پارامترهای پاششی و استحکام پیوند می پردازد. جنبه هایی مانند استحکام و بهبود پیوند در چسبندگی مواد نقش کلیدی در پلیمرها و متالیزاسیون PMC ها برعهده دارند. تفاوت ثابت در قطبیت بین سطوح پلیمری و فلزات رسوب شده عامل اصلی خنثی سازی استحکام چسبندگی بین پوشش و بستر کامپوزیت است.
این مقاله مروری نمای وسیعی از پیشرفت های اخیر در زمینه متالیزاسیون سطوح پلیمری با استفاده از تکنیک پاشش سرد ارائه می دهد. در زیر برخی از یافته های این مطالعه آمده است:
- مکانیسم پیوند در پاشش سرد پودرهای متالیک بر روی بستر پلیمری از آنچه که با پاشش سرد روی بسترهای متالیک ایجاد می شود، متفاوت است. به دلیل عدم انتشار و پیوند شیمیایی، قابل قبول ترین مکانیسم پیوند در تولید پوشش چسبنده روی پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری در هم تنیدگی مکانیکی است.
- استفاده صحیح از پارامترهای پردازش مانند فشار گاز رانشی و دمای گاز، شتاب و فاصله ذرات برای رسوب پوششی و چسبندگی آن با پلیمر تقویت شده با الیاف کربن بستر پلیمری مهم است. فرایند پردازش
برای سرعت ذرات در تشکیل لایه اول از سرعت اینترلاکینگ تا سرعت فرسایش بستر متغیر است، در حالی که بری پوشش دیگر بین سرعت بحرانی تا سرعت فرسایش لایه فلزی متغیر است.
- مورفولوژی رسوب ذرات به کیفیت پوششی کمک می کند. به عنوان مثال، مس دندریتی با موفقیت بر روی بستر PA66 با لایه میانی Sn+Al₂O₃ رسوب شد. برای رسوب Al بر روی پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن با ماتریس پلی اتر-اتر-کتون، چسبندگی بالایی در حین تست چسبندگی نوار مشاهده شد.
- تشکیل اکسید روی پودرها می تواند خواص چسبندگی و پوششی را محدود کند. وجود تخلخل و تشکیل اکسید باعث کاهش رسانش الکتریکی پوشش ها می شود. کاربرد تیمار حرارتی در چند مقاله با هدف تلاش برای کاهش محتوای اکسید بیان شده است.
- پوشش Cu به طور کلی به عنوان ضد رسوب بر روی پلیمرهایی مانند پلی اتیلن سنگین، پلی تترا فلوئورواتیلن و همچنین نایلون استفاده می شود. پلی اتیلن سنگین بالاترین پوشش Cu و حفاظت از رسوب را دارد.
- اغلب در کامپوزیت های پلیمری با ماتریس ترموست با استفاده از پاشش سرد فشار قوی به دلیل سرعت های بالا فرسایش صورت می گیرد. برای غلبه بر این مشکل، پاشش سرد کم فشار می تواند گزینه مناسبی باشد؛ درست زمانی که رسوب Sn روی پلیمرهای تقویت شده با ماتریس اپوکسی الیاف کربن امکان پذیر است. در سیستم پاشش سرد کم فشار، در حالی که پودر فلز ثانویه روی پلیمر تقویت شده با الیاف کربن رسوب می شود، با وجود عدم توانایی رسوب پودر ثانویه به تنهایی روی پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن، بهبود فرایند رسوب گذاری مشاهده شده است.
- رسوب پودرهای فلزی مخلوط روی اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن در پاشش سرد کم فشار منجر به افزایش رسوب شد. با افزایش دمای گاز، رسوب قلع (Sn) به دلیل نرم شدن حرارتی Sn و درهم تنیدگی با بسترهای پلیمری افزایش رسوب را به دنبال دارد. به ویژه این که Sn مخلوط شده با Al افزایش رسوب را با افزایش فشار گاز نشان می دهد. با این حال، روند معکوس رسوب پودرهای مخلوط شده با Sn-10Cu و Sn-10Zn مشاهده شد.
