El investigador Pylin Sarobol explica un proceso elegante para recubrimientos cerámicos de grano ultrafino de una manera poco elegante: partículas submicrométricas salpicando una superficie.
Esa acción de salpicadura es una parte clave de un proyecto de los Laboratorios Nacionales de Sandia para colocar cinéticamente recubrimientos cerámicos. Al hacer que las partículas cerámicas submicrométricas de alta velocidad golpeen las superficies a temperatura ambiente, Sarobol y sus colegas evitan las altas temperaturas que de otro modo se requieren para procesar la cerámicacomo alúmina y titanato de bario.
El recubrimiento a temperatura ambiente hace que el diseño y la fabricación de microelectrónica sean más flexibles y algún día podría conducir a componentes microelectrónicos mejores y menos costosos que sustentan la tecnología moderna. El proceso cinético produce películas nanocristalinas que son muy fuertes y podrían usarse como recubrimientos protectores contra el desgaste, la corrosión, oxidación y similares.
Sarobol, que trabaja en recubrimientos y fabricación aditiva, dijo que es difícil consolidar recubrimientos cerámicos y materiales duros similares y luego integrarlos en dispositivos con materiales que tienen temperaturas de fusión relativamente bajas. Debido a que los componentes cerámicos se procesan a temperaturas de aproximadamente 1.300 grados Fahrenheit700 grados Celsius o más, puede ser difícil combinarlos con ciertos materiales que tienen funciones particulares dentro de dispositivos eléctricos y mecánicos. Por ejemplo, las guías de onda en miniatura actuales requieren un micro mecanizado de una pequeña pieza de material electromagnético y pegarlo en otromaterial.
"La capacidad de colocar cerámica a temperatura ambiente significa que puede procesar cerámica y materiales de baja temperatura de fusión al mismo tiempo", dijo Sarobol, quien lidera el proyecto, ahora en su segundo año. "Ahora puede poner cerámica encobre, por ejemplo. Antes de que primero tuviera que hacer la cerámica, luego coloque el cobre sobre ella. Este proceso realmente se trata de poder integrar materiales, especialmente cerámica, con otros materiales ".
Abre nuevas posibilidades para la fabricación: circuitos eléctricos que combinan materiales híbridos o pequeños condensadores o sensores. "Puede imaginarse rociando materiales funcionales en una placa de circuito en lugar de un procesamiento a alta temperatura, seguido de un tedioso ensamblaje manual", dijo Sarobol.
Aprovechando la energía cinética y las propiedades de los materiales
En lugar de calor, la deposición de aerosoles utiliza energía cinética y propiedades de materiales especiales que se encuentran en micro y nano escalas.
Todavía hay mucho que aprender sobre el proceso. "Realmente necesitamos pasar el tiempo para comprender los parámetros del proceso, cómo se relacionan con las microestructuras resultantes y las propiedades finales del material que necesitamos", dijo Sarobol. "Cuando pensamossobre el diseño de un nuevo dispositivo, debemos tener en cuenta la relación de las propiedades de procesamiento de estructura y darnos tiempo para realizar la investigación, la optimización y comprender cómo podemos mejorar las propiedades de los recubrimientos ".
Sin embargo, los recubrimientos a microescala a temperatura ambiente no serán una panacea, porque el proceso produce estructuras nanocristalinas; no es ideal para recubrimientos para aplicaciones como microaccionadores, micromotores o condensadores que necesitan una estructura de grano grande para una mejor función del dispositivo, ella dijo.
"Los recubrimientos depositados en aerosol están formados por pequeños cristales de 20 nanómetros que a menudo llamamos cristalitos o granos", dijo Sarobol. "Cuando calentamos nuestros recubrimientos, estos pequeños cristales crecen y las propiedades cambian. Al controlar el tamaño del cristalito, podemos ajustar las propiedades de manera predecible para crear dispositivos más funcionales "para diferentes aplicaciones.
Solo unos pocos lugares del mundo trabajan en procesos de recubrimiento cinético a temperatura ambiente. La investigación inicial de Sarobol se realizó como investigador principal para un proyecto de dos años, "Deposición de cerámica en estado sólido a temperatura ambiente", que finalizó en marzo de 2016Condujo a una mejor comprensión de los componentes básicos de los recubrimientos y los fundamentos científicos detrás del proceso.
Luego viene la optimización del proceso, expandiendo los materiales que pueden fabricarse y desarrollándolos para aplicaciones potenciales, lo que podría llevar años.
En pocas palabras, así es como funciona: en la deposición de aerosoles, una boquilla acelera las partículas submicrónicas suspendidas en un gas hacia la superficie. Las partículas impactan y se adhieren, formando un recubrimiento capa por capa. Una clave es usar partículas submicrónicas 50 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano que permite a los investigadores aprovechar las propiedades de los materiales que se encuentran solo a escalas pequeñas y activar la deformación plástica en las partículas de aerosol. La deformación plástica, o plasticidad, es una forma de hacer que una sustancia cambie de tamaño permanentementeo forma bajo tensión aplicada. Es la plasticidad de las partículas submicrónicas lo que causa la consolidación de las capas de deposición posteriores y genera la superficie continua sobre la que se construyen las capas.
Otra clave: la deposición en el vacío, que ayuda a aliviar los efectos de los gases reflejados en las partículas voladoras. La reflexión del gas portador de alta velocidad del sustrato de deposición puede crear el llamado choque de arco, una capa límite de gas que es difícil paralas partículas más pequeñas penetran. Pero en el vacío, los gases reflejados se difunden para que la capa de choque del arco sea más delgada. Las partículas más pequeñas que viajan rápido tienen un gran impulso y pueden atravesar la capa de choque del arco delgado. Sin vacío, la capa de choque del arcoes grande y las partículas no tienen suficiente impulso para penetrar en el sustrato.
Deformación plástica crítica para el proceso
Mantener la energía cinética de las partículas a través de la capa de choque del arco es fundamental para lograr la deformación plástica del material, y sin deformación plástica no hay adherencia ni revestimiento.
Cuando una partícula impacta el sustrato u otra capa, se deforma plásticamente y cambia de forma mediante un proceso conocido como nucleación de dislocación y deslizamiento. El equipo de Sarobol descubrió que las partículas tienen nanofracturas que las hacen "depositarse sobre un sustrato como salpicando masa para galletas, formando unagrano en forma de panqueque "
La siguiente partícula que golpea y deforma se aplana en la capa original, creando una unión aún más estrecha. "De modo que tiene tanto la deformación de los materiales como el cambio de forma y fracturación sin fragmentación, y finalmente el apisonamiento de las partículas posteriores para ayudar a construir el recubrimiento,"Dijo Sarobol.
Esos mecanismos hacen posible muchas capas, construyendo recubrimientos que tienen decenas de micras de espesor. "Hemos fabricado recubrimientos de níquel de hasta 40 micras, y en la literatura he visto informes de hasta aproximadamente 80 micras para cerámica", Saroboldijo.
Los miembros del equipo han depositado con éxito múltiples materiales utilizando el método, incluidos cobre, níquel, óxido de aluminio, dióxido de titanio, titanato de bario y compuestos de carburo. Las aplicaciones probables para esta breve lista de materiales solo incluyen condensadores, resistencias, inductores, contactos eléctricos y desgastesuperficies.
Una atractiva aplicación específica para las películas de titanato de bario es la gestión del campo eléctrico en los sistemas de alto voltaje. Los condensadores de alto voltaje, por ejemplo, son propensos a fallas cuando el material dieléctrico titanato de bario se encuentra con el electrodo de cobre y el aire, creando tres-unión material.
"Si rocía titanato de bario en esta unión, abre la posibilidad de condensadores de mayor potencia", dijo Sarobol. "Hay mucho más por hacer antes de lograr propiedades suficientemente buenas para eso".
Otros investigadores están interesados en contactos eléctricos, recubrimientos protectores o la consolidación de compuestos frágiles e intermetálicos por primera vez.
El proceso también abarca la brecha de microescala entre dos tecnologías establecidas, películas delgadas y tecnología de pulverización térmica. Las películas delgadas son capas de recubrimiento, que varían en tamaño desde nanómetros hasta unas pocas micras, que se pueden definir en circuitos eléctricos de precisión y se modelan mediante fotolitografíatécnicas en lugar de las placas de circuito impreso tradicionales. La tecnología de pulverización térmica puede producir recubrimientos a partir de aproximadamente 50 micras hasta unos pocos centímetros.
"Esto puede cerrar esa brecha que falta, donde puede comenzar a depositar cientos de nanómetros de materiales de hasta cien micrones", dijo Sarobol.
Sandia National Laboratories es un laboratorio de misiones múltiples operado por Sandia Corporation, una subsidiaria de propiedad total de Lockheed Martin Corp., para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Con instalaciones principales en Albuquerque, NM, y Livermore, California, Sandiatiene importantes responsabilidades de I + D en seguridad nacional, tecnologías energéticas y medioambientales y competitividad económica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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