- Phạm vi ứng dụng:
1) Tương tác hóa hóa học giữa nền kim loại và màng phủ nói chung
chung
Một số hệ thống sơn được xây dựng với các chất kết dính có một nhóm chức có thể liên kết hóa học với chất nền tương thích. Trong các ứng dụng này, sự hình thành các liên kết hóa học cộng hóa trị xảy ra trên giao diện. Các liên kết mạnh và bền này thường là kết quả của sự tiếp xúc gần hoặc hấp phụ của chất dính trên bề mặt sau đó là phản ứng hóa học.
Các hệ sơn chứa các nhóm chức phản ứng, như hydroxyl hoặc carbonyl, có xu hướng tuân thủ chặt chẽ hơn với các chất nền có chứa các nhóm tương tự. Liên kết hydroxyl là một trong những lý do tại sao polyme gốc epoxy và polyurethane thường được sử dụng trong các công thức sơn kết cấu.
Có lẽ ví dụ được sử dụng rộng rãi nhất về liên kết hóa học trong ngành sơn là với các chất kích thích bám dính hoặc các tác nhân kết hợp. Các hóa chất đa chức năng này cung cấp một cầu nối phân tử, giữa chất nền và các phân tử trong màng sơn, như minh họa trong Hình 48. Một đầu của phân tử chất kết dính có chức năng sẽ phản ứng với sơn và đầu kia có chức năng sẽ phản ứng với chất nền. Một liên kết mạnh mẽ và bền vững như là chất kết dính chữa bệnh.
Hình 48: Chất kết dính organosilane cung cấp một cầu nối hóa học mạnh mẽ giữa các lớp sơn và chất nền.
Organosilane là một ví dụ về chất kích thích bám dính được sử dụng rộng rãi. Chúng được sử dụng làm chất phụ gia trong các công thức sơn và làm lớp lót trên chất nền thủy tinh và kim loại để thúc đẩy độ bám dính, cải thiện khả năng chống ẩm và giảm khả năng ăn mòn tại giao diện.
Tương tác hóa học giữa nền kim loại và lớp màng phủ kim loại:
Màng phủ kim loại có độ bám dính cao trên các đế kim loại là do tương tác hóa học (interface layer) giữa kim loại phủ và đế phủ. Như chúng ta đã biết lớp phủ kim loại và đế phủ kim loại nếu có cùng chung một mặt phẳng nguyên tử, cùng cấu trúc tinh thể và không có khuyết điểm thì sẽ có khả năng tạo ra tương tác hóa học (interface) và tạo ra một lớp hợp kim trung gian giữa kim loại phủ và đế phủ.
Khi hai tinh thể đơn kim loại có cùng hướng được tiếp xúc, các lực liên kết tại giao diện sẽ phụ thuộc rất nhiều vào mức độ không khớp của mạng tinh thể trên giao diện. Mức độ không phù hợp của mạng tinh thể càng lớn, nồng độ của sai lệch Misfit càng lớn và năng lượng giao thoa càng lớn. Trong trường hợp không phù hợp, hai mạng tinh thể kim loại sẽ được kéo vào đăng ký tại giao diện để tồn tại năng lượng giao thoa rất thấp, mặc dù do biến dạng đàn hồi phạm vi dài không phù hợp với kim loại khối sẽ xảy ra. Điều kiện năng lượng tối thiểu hoặc bằng không tồn tại trong trường hợp không có sự không phù hợp của mạng tinh thể và một giao diện.
Sự kết dính với các tinh thể đồng tiếp xúc chỉ ra rằng sự không phù hợp của các hướng tinh thể dọc theo trục tinh thể chung dẫn đến việc giảm lực cần thiết để kéo giao diện bị căng thẳng đến gãy. Hơn nữa, khi các mặt phẳng tinh thể đồng khác nhau được tiếp xúc, lực cần thiết cho sự đứt gãy của giao diện nhỏ hơn so với nơi các mặt phẳng cùng hướng được tiếp xúc
Màng phủ
Liên kết hóa học Kim loại cần phủ
Hình 49: Cơ chế hình thành liên kết giữa 2 pha
Đối với độ bám dính và liên kết của các mặt phẳng và hướng tinh thể phù hợp khác nhau nói chung, các kim loại Polycrystalline nguyên tử cao khi tiếp xúc với chúng có mặt tại giao diện bên cạnh nhiều loại không khớp trong mạng tinh thể, ranh giới hạt.
Hình 50: Hình ảnh của liên kết hóa học giữa vàng và đồng
Những ranh giới này có năng lượng đặc trưng riêng của họ. Nó sẽ thay đổi theo sự không phù hợp trong hướng của các hạt liền kề tạo ra ranh giới. Nhìn chung, các lực liên kết bám dính mạnh hơn sẽ được phát triển giữa các bề mặt như vậy so với các bề mặt đơn tinh thể có mật độ nguyên tử cao. Trên hình SEM (Hình 50) ta có thể thấy được lớp liên kết hóa học giữa Vàng và Đồng ở điểm giao của 2 kim loại ( interface).
III.2.2. Độ bền hóa học của lớp màng phủ và tác dụng bảo vệ bề mặt của nó
Vàng
Đồng
Liên kết kim loại giữa vàng và đồng
Lớp phủ vàng
Đế đồng
Thử nghiệm tác dụng bảo vệ của màng từ hóa chất được sử dụng để đánh giá tính kháng của lớp phủ đối với các chất lỏng thử nghiệm khác nhau. Thử nghiệm được thực hiện bằng cách ngâm mẫu trong hóa chất thử nghiệm hoặc thử nghiệm tại chỗ theo yêu cầu tiêu chuẩn thử nghiệm. Các phương pháp thử nghiệm bao gồm việc xác định ảnh hưởng của các hóa chất khác nhau lên lớp phủ, dẫn đến bất kỳ sự thay đổi khó chịu nào trên bề mặt, như đổi màu, thay đổi độ bóng, phồng rộp, làm mềm, sưng, mất độ bám dính hoặc hiện tượng đặc biệt.
Điều kiện kiểm tra:
Thử nghiệm được thực hiện ở (23 ± 2)° C hoặc nhiệt độ tăng cao theo yêu cầu
Các thuốc thử điển hình bao gồm: Nước cất (lạnh hoặc nóng), Rượu Ethyl (50% thể tích), Giấm (axit axetic 3%), Dung dịch kiềm, Dung dịch axit, Dung dịch xà phòng, Dung dịch tẩy rửa, Chất lỏng nhẹ hơn và Thuốc thử dễ bay hơi khác, Dầu và Chất béo (Bơ, bơ thực vật, mỡ lợn, rút ngắn, dầu thực vật, v.v.), Đồ uống (Cà phê, Trà, Ca cao), Dầu và mỡ bôi trơn, Thuốc thử khác .
Các tiêu chuẩn đánh giá độ bền hóa học: Tiêu chuẩn ASTM D543
Tiêu chuẩn ASTM G20 Tiêu chuẩn ASTM D1308
Ví dụ đánh giá độ bền hóa học theo tiêu chuẩn ASTM D543
Độ bền hoá chất của vật liệu được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D543. Mẫu có dạng hình tròn 50 dầy 3mm hoặc hình khối vuông kích thước 50 x 50 dầy 3mm.
Mẫu được lau sạch, sấy khô đến khối lượng không đổi và đặt trong bình hút ẩm trong vòng 24h. Cân mẫu trên cân phân tích độ chính xác 10-4 gam. Sau đó đem ngâm trong môi trường hoá chất như xăng dầu bôi trơn - dầu phanh. Sau một thời gian lấy ra và cân lại
Mức độ thay đổi trọng lượng của mẫu phản ảnh độ bền với môi trường hoá chất. Khối lượng của mẫu có thể tăng hoặc giảm.
III.3. Tính chất vật lý
III.3.1. Tính dãn nở theo nhiệt độ của lớp màng phủ và kim loại nền
Các loại vật liệu thường thay đổi kích thước của nó khi chịu tác động của nhiệt độ trong khi áp suất được giữ không đổi. Trong trường hợp đặc biệt của các vật liệu rắn, áp suất không ảnh hưởng đáng kể đến kích thước của vật thể. Trong màng phủ cũng vậy,kích thước của màng phủ thay đổi theo nhiệt độ. Những thông số sau ảnh hưởng rất nhiều đến tính dãn nở của màng.
Ảnh hưởng của đế
Ví dụ với màng có đế là Silicon: Nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của chất nền silic trên phản ứng và các đặc tính tiếng ồn, một lớp đệm dẫn nhiệt thấp được đặt giữa các màng mỏng pyroelectric (hỏa điện) và bề mặt. Màng silica xốp mỏng thường được sử dụng như là các lớp đệm. Kết quả thử nghiệm cho thấy rõ ràng là lớp đệm làm tăng phản ứng hỏa điện trong một dải tần số thấp.
Hệ số dẫn nhiệt giữa các bề mặt
Ví dụ: Hệ số dẫn nhiệt của màng SiO và MgO có độ dày từ 8 - đến 200- nm-dày được đo trong khoảng nhiệt độ 78-400 K sử dụng phương pháp 3omega. Rõ ràng tính dẫn nhiệt của màng giảm do độ dẫn nhiệt hữu hạn của các bề mặt tiếp xúc giữa các tấm màng kim loại và lớp điện môi, và bề mặt Si. Với màng SiO tại 250 K, độ dẫn nhiệt của hai bề mặt tăng thêm một lượng là 61032 Wcm2K, tương đương với độ dẫn nhiệt của một màng - SiO dày 20-nm.
Độ dày màng
Như chúng ta đã biết, độ dày màng càng lớn thì độ dãn nở nhiệt của màng càng chậm. Đôi khi do sự chênh lệch về nhiệt độ giữa lớp đế và màng quá lớn gây nên hiện tượng nứt, dạn của màng trong quá trình tăng nhiệt độ. Ví dụ như màng sơn quá dày sẽ bị nứt khi thời tiết quá nóng.
Hình 51: Sự phụ thuộc vào độ dày mẫu của độ giãn nở nhiệt màng C 60
Hình 51 biếu thị sự thay đổi nhiệt của màng khi độ dày màng tăng lên. Trong công nghệ màng phủ, nhất là khi màng phủ là những oxit kim loại, đế phủ là kim loại việc kiểm soát độ dày màng phủ sao cho khi nhiệt độ tăng, màng phủ không bị dạn nứt là rất quan trọng.
III.3.2. Tính dẫn nhiệt, dẫn điện 1) Tính dẫn nhiệt của màng phủ
Độ dẫn nhiệt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. Trong phương trình của định luật Fourier (phương trình mô tả hiện tượng dẫn nhiệt trong vật liệu), độ dẫn nhiệt xuất hiện dưới dạng một hệ số đặc trưng cho vật liệu. Độ dẫn nhiệt được xác định bằng nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích vật liệu trong một đơn vị thời gian, dưới gradient của nhiệt độ.
Trong kỹ thuật màng phủ, độ dẫn nhiệt là một thông số quan trọng trong đánh giá chất lượng của màng phủ. Khi chế độ truyền nhiệt ổn định và vật liệu có dạng tấm phẳng thì nhiệt lượng truyền qua tấm vật liệu được xác định theo công thức:
Trong đó : F : Diện tích bề mặt của tấm vật liệu, m 2 .
a : Chiều dày của tấm vật liệu,
t1, t2 : Nhiệt độ ở hai bề mặt của tấm vật liệu, 0 C. τ : Thời gian nhiệt truyền qua,
λ : Hệ số dẫn nhiệt , Kcal/m .0
C.h .
Khi F = 1m2 ; δ = 1m; t1 - t2 = 1o C; τ = 1h thì λ = Q .
Vậy hệ số dẫn nhiệt là nhiệt lượng truyền qua một tấm vật liệu dày 1m có diện tích 1m2 trong một giờ khi độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt đối diện là 1o C. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố : Loại vật liệu, độ rỗng và tính chất của lỗ rỗng, độ ẩm, nhiệt độ bình quân giữa hai bề mặt vật liệu. Do độ dẫn nhiệt của không khí rất bé (λ = 0,02 Kcal/m.°C.h) so với độ dẫn nhiệt của vật rắn vì vậy khi độ rỗng cao, lỗ rỗng kín và cách nhau thì hệ số dẫn nhiệt thấp hay khả năng cách nhiệt của vật liệu tốt. Khi khối lượng thể tích của vật liệu càng lớn thì dẫn nhiệt càng tốt. Trong điều kiện độ ẩm của vật liệu là 5÷7%, có thể dùng công thức của V.P.Necraxov để xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. λ =(0,0196 + 0,22ρ2
v)0,5 - 0,14 . Trong đó: ρv là khối lượng thể tích của vật liệu, T/m3
.
Nếu độ ẩm của vật liệu tăng thì hệ số dẫn nhiệt tăng lên, khả năng cách nhiệt của vật liệu kém đi vì nước có λ = 0,5 Kcal/m.°C.h. Khi nhiệt độ bình quân giữa 2 mặt tấm vật liệu tăng thì độ dẫn nhiệt cũng lớn, thể hiện bằng công thức của Vlaxov: λt = λ0 (1+0,002 t)
Trong đó : λ0- hệ số dẫn nhiệt ở 0°C;
λt - hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ bình quân t.
Nhiệt độ t thích hợp để áp dụng công thức trên là trong phạm vi dưới 100°C. Trong thực tế, hệ số dẫn nhiệt được dùng để lựa chọn vật liệu cho các kết cấu bao che, tính toán kết cấu để bảo vệ các thiết bị nhiệt.
Một vài ví dụ về giá trị tính của độ dẫn nhiệt cho Vật liệu xây dựng, các vật rắn khác, chất lỏng (ở nhiệt độ phòng) và khí (ở 0°C). Độ dẫn nhiệt lớn đồng nghĩa với việc truyền nhiệt tốt hơn (nhanh hơn).
Dưới đây là độ dẫn nhiệt của một số loại vật liêu:
Vật liệu Độ dẫn nhiệt λ (W/(m.K))
Kim cương 2300
Bạc 429
Magie 170
Than chì 165
Sắt 80
Niken 85