metode dobijanja visoko čistih prahov - seminarski rad

Metode dobijanja visoko istih prahova

M.Peki

Uvod

Prahovi predstavljaju fino usitnjenu vrstu supstancu sastavljenu od estica manjih od 1 mm. Prah je suva, rasuta cijelina sastavljena od velikog broja finih estica. Prahovi se koriste u prehrambenim, farmaceutskim, kozmetikim i mnogim drugim industrijama. esto se postavljalo pitanje koje karkteristike materijala i faze proizvodnje su najvanije pri definisanju prahova ( veliina estica...). Da bi definicija bila prihvatljiva, morala bi definisati svaku esticu u smjesi praha. Poto to nije mogue, tehnolozi su se morali zadovoljiti prosijenim vrijednostima za odreene parametre estica. Prahovi se obino karakterizuju na dva naina: kao pojedinane estice i kao smjea. Iako znamo da karakteristiku smjee ine prvenstveno karakteristike pojedinih estica, povezanost smjee i estice uvijek postoji, a na obije utiu i vanjski faktori. Zato je nemogue predvidjeti karakteristike smjee iz karakteristika pojedinanih estica. Uzimajui sve ovo u obzir jasna je neophodnost razrade veeg broja postupaka za proizvodnju prahova metala, legura i jedinjenja. Mnoge metode su ve nale iroku primjenu u industriji ( mehanike, redukcija iz oksida i jedinjenja, elektrolitike i dr.), a neke se nalaze u fazi labaratorijskog i poluindustrijskog razvoja. Danas se velika panja poklanja dobijanju prahova sa esticama submikronskih dimenzija, koje se koriste za proizvodnju sinterovanih materijala, magnetnih ureaja za memorisanje podataka, katalizatora i dr. Proizvode se kombinacijom razliitih procesa u koje su ukljuene i fiziko-hemijske metode kao to su isapravanje i kondenzacija, odnosno taloenje iz gasne faze. Nasuprot procesima koji su zasnovani na mehanikom usitnjavanju estica, ove metode omoguavaju ne samo da se proizvedu prahovi sa kontrolisanom veliinom zrna, nego i da se kontroliu istoa i svojstva praha koja su znaajna za njegovu krajnju primjenu. Takoe, od mnogobrojnih metoda za dobijanje prahova najee se koriste postupci atomizacije rastopa metala i redukcije fino spraenih oksida metala. Jedna od bitnih osobina prahova je njihova gustina. Prahovi se mogu tretirati kao materijali sa promijenjivim gustinom. Gustina je jedan od najvanijih faktora, pogotovo kod analize praha, zbog njene razliitosti za svaki materijal usljed sila koje djeluju u tom materijalu. Iako se generalno upotrebljavaju u manjim koliinama, prahovi u nakompaktiranom obliku imaju primjenu kod ireg spektra proizvoda, ukljuujui: raketna goriva, prevlake mlaznih motora, elektrode za zavarivanje, katalizatore, paste za lemljenje, pigmente, boje, tonere tampae i aditive za brano. U ovom radu najvea panja bie posveena prahovima visoke istoe i metodama za njihovo dobijanje, sa posebnim osvrtom na metodu hemijske depozicije prevlaka iz parne faze (CVD).

1


M.Peki

1. OSNOVNE METODE DOBIJANJA PRAHOVA

U zavisnosti od oblika i namjene prozvoda polazni prahovi moraju da zadovolje razliite zahtjeve. Pri tome se imaju u vidu njihova fizika svojstva ( oblik i granulometrijski sastav estica prha, stanja povrine), hemijska svojstva (sadraj osnovnog metala i primjesa, zagaenost gasovima u hemijski vezanom, adsorbovanom ili rastvorenom stanju) i tehnoloka svojstva (nasipna gustina, teljivost, sposobnost presovanja i dr.). Raznovrsnost zahtjeva koji se postavljaju u odnosu na oblast njihove primjene objanjava postojanje razliitih metoda proizvodnje prahova. Trebalo bi istai da izbor metode dobijanja praha znaajno utie na fizika, hemijska i tehnoloka svojstva praha. Tako, na primjer, prahovi koji imaju isti hemijski satav, ali razliite fizike karakteristike, imaju razliita tehnoloka svojstva, to zahtjeva razliite uslove pri izradi eljenih proizvoda. Sa druge strane, konkretan postupak je odreen stepenom istoe i mogunou dobijanja praha sa potrebnim fizikim, elektrinim ili magnetnim karakteristikama, kao i ekonomskim aspektom, odnosno cijenom kotanja praha i cijenom njegove dalje prerade. Uzimajui sve ovo u obzir jasna je neophodnost razrade veeg broja postupak za proizvodnju prahova metala, legura i jedinjenja. Mnoge metode su ve nale iroku primjenu u industriji (mehanike, redukcija iz oksida i jedinjenja, elektrolitike i dr.), a neke se nalaze u fazi labaratorijskog i poluindustrijskog razvoja. Danas se velika panja poklanja dobijanju prahova sa esticama submikronskih dimenzija, koji se koriste za proizvodnju sinterovanih materijala, magnetnih ureaja za memorisanje podataka, katalizatora i dr. Proizvode se kombinacijom razliitih procesa u koje su ukljuene i fiziko-hemijske metode kao to su isparavanje i kondenzacija, odnosno taloenje iz gasne faze. Nasuprot procesima koji su zasnovani na mehanokom usitnjavanju estica, ove metode omoguavaju ne samo da se proizvedu prahovi sa kontrolisanom veliinom zrna, nego i da se kontroliu istoa i svojstva praha koja su znaajna za njegovu krajnju primjenu. Postojee metode dobijanja prahova mogu se podijeliti u dvije osnovne grupe: mehanike i fizikohemijske metode.

1.1.

Mehanike metode

U mehanike metode dobijanja prahova spadaju: drobljenje i mljevenje, atomizacija rastopa metala i legura, granulacija i obrada metala rezanjem. Kao razultat primjene mehanikih metoda dobijanja prahova polazni materijal se deljstvom spoljanjih sila usitnjava bez izmjene hemijskog sastava. Preciznija podjela mehanikih metoda dobijanja prahova je: bez fazne promjene, sa faznom promjenom, atomizacija vazduhom i vodom pod pritiskom, atomizacija inertnim gasom, centrifugalna atomizacija.

2


M.Peki

1.2.

Fiziko-hemijske metode

U fiziko-hemijske metode dobijannja prahova spadaju: redukcija oksida ili soli, elektroliza vodenih rastvora soli ili rastopa soli, disocijacija karbonila, isparavanje i kondenzacija, interkristalna korozija, elektroerozija, redukcija iz rastvora (cementacija) i termodifuziono zasiavanje. Pri dobijanju prahova ovim metodama dolazi do fizikohemijskih promjena polaznog materijala. Pri tome se krajnji proizvod, po pravilu, razlikuje od polaznog materijala po hemijskom sastavu. Ove metode bi se preciznije mogle podijeliti na: redukciju oksida metala, metoda reakcione sinteze, metoda hidriranja i dehidriranja, metoda isparavanja i kondenzacije.

1.3 METODE ZA DOBIJANJE VISOKO ISTIH PRAHOVA

1.3.1. Metoda mljevenja prahovaRedukcija dimenzija pojedinih prahova obavlja se po principu meusobnog kontakta estica u specijalnim ureajima a to su: mlinovi sa kuglama, visoko energetski ureaji, vibrirajui mikseri/mlinovi i artritori. Ugaona brzina cilindra u kojem se vri mljevenje je od velike vanosti. Ona mora biti takva da se pod deljstvom centrifugalne sile jedno vrijeme zadravaju po obodu cilindra prije slobodnog pada. Suvie mala brzina omoguie da komadi materijala vibriraju du donjeg cilindra, dok e velika ugaona brzina cilindra biti praena velikom ventrifugalnom silom koja e djelove materijala drati uz zidove cilindra. Zavisno od prahova koji se dobijaju odreuje se vrijeme usitnjavanja. U toku procesa mljevanja ne dolazi do promijene hemijskog sastava. Na slici 1. je prikazana mjealica sa kuglama.

Slika1. Mjealica sa kuglama

3


M.Peki

1.3.2. Metoda elektrolitikog dobijanja prahovaPrahovi mnogih metala kao to su titan, paladijum, bakar, eljezo i srebro dobijaju se elektrolitikim putem zbog potrebe za njihovom velikom istoom. Elektrolitiko dobijanje prahova se izvodi u elektrolitikim elijama rastvaranjem anode u odgovarajuem elektrolitu pod uticajem napona odreene voltae. Procesom elektrolize omoguava se dobijanje elementarnog metala u vidu praha istaloenog na katodu. Katodni talog se po zavretku procesa lako odstranjuje pranjem, a zatim sui, melje i prosijava. Karakteristike elektrolitikih prahova zavise od prirode neistoa, gustine struje i naina mijeanja. Prahovi dobijeni ovim putem mogu imati varijacije u svojoj veliini od krupnih razgranatih do visokodisperznih skolnih aglomeraciji. Glavna prednost ovog procesa su mala veliina estica i visoka istoa. Sa druge strane ovako dobijeni prahovi su skloni aglomeraciji i oksidaciji na vazduhu.

1.3.2.1. Redukcija metalnih oksidaDobijanje prahova ovim postupkom poinje od preienog oksida koji se lako melje do praha u reakciji sa reducentima raznih tipova koji mogu biti teni ili gasoviti. Da bi se reakcija redukcije metalnog oksida spontano odvijala hemijsko srodstvo kiseonika prema reducentu mora biti vee nego prema metalu. to je negativnija vrijednost Gibsove energije to je oksid stabilniji. Veina oksida pokazuje odstupanja stvarnog od stehiometrijskog sastava. Tako neki oksidi imaju manjak katjona, a neki manjak anijona kiseonika. Elektroneutralnost se postie prisustvom jona vie odnosno nie valentnosti koji se nalaze na povrini i predstavljaju aktivne centre adsorpcije. Najvaniji parametar u oksido redukcionim reakcijama je temperatura. S obzirom da su metalni oksidi stabilniji u odnosu na gasovite reducente, adekvatan izbor temperturnih uslova koji termodinamiki omoguava odvijanje reakcije u zatvorenom sistemu je vrlo vaan. Brzina redukcije je funkcija vie faktora: temperatura, pritiska, kristalne strukture, poroznosti. Koliina dobijenih prahova intenzivno raste sa porastom temperature. Prahovi dobijeni na niim temperaturama imaju sunerast oblik i poroznu strukturu.

4


M.Peki

1.3.2.2. Metoda reakcione sintezeProizvodnja prahova reakcionom sintezom u vrstom stanju obuhvata homogenizirajue mijeanje prahova konstituenata u stehiometrijskom odnosu koji odgovara odreenom jedinjenju i pobuivanje samorasprostirueg reakcionog talasa. Jednom pobuena reakcija se odrava na raun osloboene toplote. Reakcija moe biti inicirana termikim ili udarnim talasom. Iniciranje reakcije udarnim talasom podrazumijeva istovremeno deljstvo visokog pritiska i temperature generisane prolaskom talasnog fronta kroz smjeu prahova. Kada je samorasprostirua reakcija jednom termiki aktivirana, postoje dva osnovna uslova koje sistem mora zadovoljiti u cilju potpunog izvoenja reakcije u vrstom stanju: toplota reakcije mora biti vea od one koja obezbjeuje stapanje homogeniziranih prahova i vrijeme reakcije mora biti krae od vremena koje je potrebno da se prenese toplota u okolini. Obim reakcije i stehiometrija jedinjenja koje se dobija zavisi od morfologije polaznih prahova.

1.3.3. Atomizacione metode za dobijanje prahovaPotreba za veom produktivnou kao i za mogunou bolje kontrole fizikohemijskih karakteristika, dimenzija i oblika estica praha dovela je do korienja novih metoda za proizvodnju prahova koje se nazivaju atomizacione metode. Prednosti koje u osobinama imaju prahovi dobijeni atomizacionom metodom polaze od velikog stepena hlaenja koji se obezbjeuje u ovim postupcima. Sutina atomizacionih metoda je u tome da se na struju rastopljenog metala djeluje ubrizgavanjem nekog fluida i stvaranjem finog spreja istopljenih kapljica koje ovravaju. Rasprivanje se izvodi u specijalno dizajniranim komorama.

1.3.3.1. Metoda gasne atomizacijeMetoda gasne atomizacije je proces u kome se struja istopljenog metala razbija i raspruje gasom koji izlazi iz strujnica i ima direktan kontakt sa strujom istopljenog metala. Dizajn atomizera zavisi od naina hranjenja tenim metalom i naina obezbjeivanja gasnog toka. Slika 2.

Slika 2. Gasna atomizacija

5


M.Peki

Istopljeni metal se u zoni ekspanzije gasa razbija u sprej finih kapljica koje ovravaju prije udara u zidove komore. Gas kojim se vri rasprivanje struje metala se reciklira. Prah koji ostaje u atomizacionoj komori poslije recikliranja gasa ima pravilan oblik koji je pogodan za kasnije procesiranje zahvaljujui svojoj dobroj stiljivosti zbog pravilnog oblika. Gasna atomizacija je kompleksni proces sa velikim brojem relevantnih parametara: tip gasnog medijuma, viskozitet gasa pri ulazku u duvnice, temperatura i pritsak. Variranjem ovih parametara utie se na osobine prahova kao to su: veliina, oblik estica, istoa i povrinska struktura. Kod gasne atomizacije, jedan od dominantnih mehanizama fragmentacije metalne struje je dinamika fragmentacija uslovljena brzinom i viskozitetom gasnog medijuma. Proces fragmentacije je razliit zavisno od toga da li je viskozitet gasne struje manji ili vei od viskoziteta rastopa. Kada je viskozitet gasne struje manji od viskoziteta rastopa dolazi do primarne fragmentacije i pojave visoko istih finih estica zahvaljujui efektima inercije. U drugom sluaju udar viskoznije gasne struje stvara ubrzanje rastopa i pojavu povrinskih fluktuacija. Ako je teni metal dovoljno zagrijan da se izbjegne ovravanje vei fragmenti reaguju na smicanje i bivaju podvrgnuti sekundranom prekidu do vrlo finih estica. Na slici 3. je dat izgled estica praha gvoa dobijenih gasnom atomizacijom.

Slika 3. estice praha Fe dobijenog gasnom atomizacijom

6


M.Peki

1.3.3.2. Atomizacija rotirajue elektrode (REP)Atomizacija rotirajue elektrode je vid jednostepene atomizacije u kome se ipka od materijala koji se atomizira brzo rotira i simultano topi na jednom kraju elektrinim lukom formiranim izmeu nje i fiksne volframove elrktrode. Istopljeni metal se raspruje u toku rotacije ipke i ovrava prije udara u zid atomizacione komore. Proces se koristi za atomiziranje visokoistih legura titana, kobalta i nikla. Jedan od nedostataka ovog procesa je kontaminacija volframom sa stacionarne elektrode. Kada se elektrini luk jednom formira atmosfera inertnog gasa onemoguava kontakt izmeu praha i volframove katode spreavajui na taj nain eroziju volframa i kontaminaciju praha. Ovakav proces moe biti projektovan kao jednostepeni i dvostepeni. Drugi nedostaci ovog procesa su: potreba za obezbjeenjem veoma velike ugaone brzine, neophodnosti postojanja uniformne strukture, problemi sa draima u sluaju loeg balansa. Parametri koji utiu na veliinu estice su: ugaona brzina, okretanje elektrode, prenik, stepen trenja, gustina metala. Dezintegracija metalne struje u postupku sa rotirajuom elektrodom zavisi od ugaone brzine okretanja potroene elektrode i moe ii po jednom i tri mehanizma: direktnim formiranjem kapljica, dezintegracijom ligamenata i dezintegracijom filma. Slika 4.

Slika 4. estice praha nikla dobijenog atomizaciojom rotirajue elektrode Pri malim ugaonim brzinama dezintegracija se vri po prvom mehanizmu. Sa povaanjem brzine stvaraju se dugi i tanki ligamneti koji dezintegracijom daju kapljice.

7


M.Peki

1.3.3.3. Atomizacija pomou rotirajueg diska sa elektronskim zrakomMetoda atomizacije pomou rotirajueg diska sa elektronskim zrakom je razvijena kao alternativa procesu centrifugalne atomizacije za proizvodnju kvalitetnih vosoko istih prahova. U ovom procesu uloak je vrsta metalna ipka koja se topi na jednom kraju. Izvor energije za topljenje je serija pitolja koji proizvode elektronski snop. Rastvor pada na rotirajui disk i pod deljstvom centrifugalne sile tenost se dezintegrie u kapljice. Karakteristike su: veliki prinos i fleksibilnost, mogunost proizvodnje prahova reaktivnih metala i morfologije estica (sferne ili ploaste).

1.3.4. METODA HEMIJSKE DEPOZICIJE PREVLAKA IZ PARNE FAZE (CVD)Hemijska depozicija slojeva filma ili prevlaka iz parne faze (CVD) podrazumjeva hemijsku reakciju gasovitih reaktanata na ili u bliskoj okolini povrine neke zagrijane podloge. Ovaj atomistiki metod depozicije moe obezbjediti dobijanje visoko istih materijala sa kontrolisanom strukturom i to na atomskom ili nanometarskom nivou. Takoe, ovom metodom mogu se proizvesti jednoslojni, vieslojni, kompozitni, nanostrukturni i funkcionalni materijali sa strogo kontrolisanim dimenzijama i inzvanrednom strukturom, na niskim temperaturama izvoenja procesa. ak ta vie, jedinstvena osobina CVD metode, u odnosu na druge tehnike depozicije, je sposobnost depozicije i izvan zone vidokruga ime se omoguava presvlaenje konstrukcionih komponenti veoma kompleksnog oblika kao i proizvodnja nano-ureaja, C-C kompozita, keramikih matrinih kompozota (CMC), komponenti slobodnog oblika. Raznovrsnost (CVD) tehnike je dovela do brzog rasta njene primjene i ona postaje jedna od najvanijih metoda u irokom spektru primjena, ukljuujui poluprovodnike (npr. Si, Ge, Si1-xGex, III-V, II-VI ), u mokroelektronici, optoelektronici, ureajima za konverziju energije, dielektricima za mikroelktroniku (npr. SiO2, AlN, Si3N4),vatrostalnim keramikim materijalima koji se koriste za tvrde prevlake (npr. SiC, TiN, TiB2, Al2O3, BN, MoSi2, ZrO2), zatitu od korozije, kao oksidaciono ili difuzone barijere, metalni filmovi za mikroelektroniku i zatitne prevlake (npr. W, Mo, Al, Au, Cu, Pt), proizvodnju vlakana i presvlaenje vlakana. Hemijska depozicija iz parne faze (CVD) je metoda za dobijanje gustih strukturnih djelova ili prevlaka, uz pomo dekompozicije relativno visoko isparljivih gasova u pobuenoj okolini (toplota, svjetlost, plazma). Gasovita jedinjenja materijala koji se deponuje se transportuju do povrine substrata na kojoj se odigrava termika reakcija/depozicija dovodei do formiranja prahova ili filma, respektivno. Nus-proizvodi reakcije se potom izvode van sistema. Uproeno, hemijska depozicija iz parne faze (CVD) predstavlja niz hemijskih reakcija koje transformiu gasovite molekule, takozvanog prekursora, u vrst materijal, u obliku tankog filma ili praha, na povrini substrata (osnove).8


M.Peki

Hemijska depozicija iz parne faze (CVD) je veoma prilagodljiv proces koji se koristi za proizvodnju prevlaka, prahova, vlakana i monolitnih djelova. Upotrebom CVD-a, mogua je proizvodnja veine metalnih ili nematalnih elemenata, ukljuujui ugljenik i silicijum, kao i jedinjenja kao to su karbidi, nitridi, boridi, oksidi, intermetalici i mnogi drugi.

1.3.4.1. Princip rada CVD metode, CVD sistem i reaktorPrekursor gasovi (esto razblaeni u gasu nosau) se dopremaju u reakcionu komoru na priblinu temperaturu sredine. Kako prelaze preko ili dolaze u kontakt sa zagrijanim substratom, reaguju ili se razgrauju formirajui vrstu fazu koja se potom deponuje na substrat. Temperatura substrata je kritina i moe uticati na pravac odigravanja reakcije. Na slici 5. je dat ematski prikaz procesa hemijske depozicije iz parne faze.

Slika 5. ematski prikaz procesa hemijske depozicije iz parne faze

Osnovni procesi reakcije hemijske depozicije iz parne faze su: 1. 2. 3. 4. 5. Isparavanje i transport molekula prekursora u reaktor. Difuzija molekula prekursora do povrine. Adsorpcija molekula prekursora na povrinu. Razgradnja molekula prekursora na povrini i ugradnja u vrst film. Rekombinacija molekularnih nus-proizvoda i njihova desorpcija.

CVD se moe izvoditi u otvorenom ili zatvorenom sistemu. U zatvoreneom sistemu, i reaktanti i priozvodi se recikliraju. CVD proces zatvorenog reaktora je danas od manje vanosti tako da se manji dio CVD procesa izvodi u ovakvim sistemima. Veina CVD procesa je otvorenog tipa, gdje se nakon depozicije reakcione hemikalije uklanjaju iz reaktora, a reciklaa reaktanata se izvodi samo onda kada trokovi to dozvoljavaju.

9


M.Peki

CVD aparatura se sastoji od nekoliko osnovnih komponenti: a) b) c) d) e) Sistem za dopremu gasa - za snadbijevanje prekursora do reakcione komore. Reakciona komora - komora u kojoj se odigrava depozicija. Mehanizam za unoenja substrata sistem za uvoenje i uklanjanje substrata. Izvor energije obezbjeuje energiju koja je potrebna za razgradnju prekursora. Vakum sistem sistem za uklanjanje zaostalih gasovitih vrsta koje nisu potrebne za reakciju/depoziciju. f) Izduvni sistem sistem za uklanjanje isparljivih nus-proizvoda iz reakcione komore. g) Izduvni sistem za tretman gasova nekim sluajevima, izduvni gasovi nisu pogodni za isputanje u atmosferu i zahtjevaju tretman ili konverziju u nekodljiva jedinjenja. h) Oprema za procesnu kontrolu mjerenje i kontrola procesnih parametara (pritisak, temperatura i vrijeme). Uopteno, CVD oprema se sastoji od tri glavne komponente kao to je prikazano na slici 6: a) Sistem za snadbijevanje parnog hemijskog prekursora; b) CVD reaktor; c) Sistem za rukovanje otpadnim gasom;

Slika 6. Dijagram tipine laboratorijske CVD opreme za depoziciju SiC prevlaka

10


M.Peki

Toplo-zidni reaktor koristi pe za zagrijavanje u koju se smjetaju substrati da bi bili indirektno zagrijavani. Najee se koristi elektrootporna pe za zagrijavanje, sa tri zone, da bi se olakala kontrola spoljnih zona i obezbjedilo odravanje uniformnog temperturnog profila u centralnoj zoni u kojoj se odigrava depozicija. Tokom procesa moe doi do osiromaenja gasovitih reaktanata kroz reaktor. Zbog toga, substrati moraju biti postavljeni pod uglom od 45 stepeni u odnosu na na gasovite reaktante, slike 5 i 6. Kod hladno-zidnog reaktora, meutim, zagrijeva se samo substrat i dra na koji je on privren, bilo indukciono ili elektro-otporno, dok je zid reaktora hladan. Veina CVD reakcija su endotermne. Reakcija depozicije se e se odigravati na zagrijanom substratu, sa zanemarljivim stepenom depozicije na zidovima reaktora. Postoje razliiti oblici reaktora. Na primjer, horizontalni, vertikalni, polu-pljosnati, bubnjasti i viestruko ploasti kao to je prikazano na slici 7.

Slika 7. Razliite konfiguracije CVD reaktora: (a) horizontalni, (b) vertikalni, (c) polupljosnati, (d) bubnjasti, (e) viestruko ploasti.

11


M.Peki

Dobijene CVD prevlake najee karakterie: sitnozrnost, neprobojnost, visoka istoa i vrstoa vea od materijala proizvedenih klasinim procesima proizvodnje keramike. CVD prevlake su obino debljine samo nekoliko mikrona i nanose se pri prilino malim brzinama, obino reda veliine nekoliko stotina mikrona na sat.

1.3.4.2. Primjena CVD metodeU ranim 70-tim, CVD je postigao znaajan uspjeh u proizvodnji elektronskih poluprovodika i zatitnih prevlaka za elektronska kola i poslednjim naglim razvojem CVD tehnologija u oblastima prerade keramike, a posebno naprednim keramikim materijalima za proizvodnju visokotemperaturnih reznih ploa, lopatica za turbine, keramikih vlakana, vlaknima ojaanim kompozitima, kao i visoko efikasnim solarnim elijama. Danas, CVD tehnologija ima sve vei znaaj na poljima svemirske i vojne industrije, nauke i ininjerstva. Ona je veoma prilagoena i pripremljena za mnoge napredne prizvode, ukljuujui i masivne materijale i kompozite, prevlake i filmove. CVD ima primjenu irokom spektru industrijskih zahtjeva: a) Prevlake za reznovrsne primjene kao to je otpornost na habanje, koroziju, zatitu od visoke temperature, zatitu od erozije i kombinacije pomenutog. b) Poluprovodnici i pripadjui ureaji integralna kola, senzori i optoelektrini ureaji. c) Gusti konstrukcioni djelovi CVD se moe koristiti za proizvodnju komponenti koje je teko ili neekonomino proizvoditi klasinim tehnikama proizvodnje. d) Optika vlakna za telekomunikacije. e) Kompoziti predforme mogu biti infiltrirane korienjem CVD tehnike u proizvodnji keramikih matrinih kompozita kao to su: C-C, C-Si, karbid i silicijum karbid silicijum karbid kompoziti. Ovaj proces se ponekad naziva i hemijski parna infiltracija CVI. f) Proizvodnja finih metalnih i keramikih prahova. g) Proizvodnja vlakana. h) Katalizatori. i) Mikro i nanomaine.

12


M.Peki

1.3.4.3. Prednosti CVD metode Glavna prednost CVD procesa lei u injenici da su reaktanti koji se koriste gasovi, ima se iskoriavaju mnoge korisne osobine gasova. Jedan od takvih pozitivnih rezultata je taj da CVD nije iskljuivo proces u zoni vidokruga poput veine ostalih procesa depozicije. Iako CVD predstavlja kompleksan hemijski sistem, ima sledee izrazite prednosti: a) b) c) d) e) f) g) h) i) Univerzalnost moe se deponovati bilo koji elemenat ili jedinjenje; Visoka istoa tipino 99,99 99,999% Visoka gustina blizu 100% od teoretske; Formiranje materijala dosta ispod take topljenja; Prevlake deponovane CVD-om su podesne i bliske mrenom obliku; Ekonominost u proizvodnji, poto se vie dijelova moe presvlaiti u isto vrijeme; Sposobnost proizvodnje visoko istih materijala velike gustine; Dobijanje uniformnih filmova sa dobrom reproduktivnou i adhezijom pri unjereno visokim brzinama depozicije; CVD je proces izvan zone vidokruga sa dobrom moi izjednaavanja neravnina na hrapavoj povrini,zbog toga, moe se koristiti za ujednaeno presvlaenje komponenti kompleksnog oblika i nanoenje filmova sa dobrom pokrivenou. Sposobnost kontrole kristalne strukture, povrinske morfologije i orijentacije CVD proizvoda kontrolisanjem procesnih parametara; Brzina depozicije se moe lako podeavati. Mala brzina depozicije je pogodna za rast tankih epitaksijalnih filmova za primjenu u mikroelektronici. Dotle, za depoziciju debljih zatitnih prevlaka, velika brzina depozicije je preporuljiva i moe biti vea od nekoliko desetina m na as; Umjereni trokovi procesa za konvencionalnu CVD tehniku; Fleksibilnost u korienju irokog asortimana hemijskih prekursora kao to su halidi, hibridi, organometalici koji omoguavaju depoziciju velikog spektra materijala ukljuujui metale, karbide, nitride, okside, sulfide III-V i II-VI materijale; Relativno niske temperature depozicije, tako da se na niskim energijama i eljene faze mogu nanositi insitu za vrijeme reakcija parne faze, kao i nukleacija i rast na povrini osnove (substrata). Ovo omoguava depoziciju vatrostalnih materijala na niim temperaturama od njihovih tempratura topljenja.

j) k)

l) m)

n)

13


M.Peki

1.3.5. HEMIJSKA DEPOZICIJA IZ PARNE FAZE POTPOMOGNUTA AEROSOLOM (AACVD)Postoje, takoe, varijante CVD procesa koje se baziraju na korienju aerosolnih prekursora (AACVD). Aerosol se moe dobijati atomiziranjem hemijskog prekursora do nivoa veoma finih submikronskih tenih kapljica. Kapljice se distribuiraju kroz gasni medijum korienjem ultrazvunog aerosolnog generatora, elektrostatikog aerosolnog generatora ili metodom elektrorasprivanja. Dobijeni aerosol se doprema u zonu zegrijevanja gdje rastvara naglo isparava ili sagorijeva, a umijeani hemijski prekursori se podvrgavaju daljoj razradnji i/ili hemijskoj reakciji neposredno uz ili na zagrijanoj povrini substrata gradei eljeni film. Glavne prednosti AACVD su: 1) Pojednostavljena metoda formiranja pare prekursora i njegovog dopremanja u poreenju sa konvencionalnim CVD-om koji koristi metodu kljuanja/isparavanja, i odatle, smanjenje trokova procesa depozicije; 2) Tendencija ka korienju prekursora iz jednog izvora to obezbjeuje dobro molekularno mijeanje hemijskih prekursora omoguavajui sentezu viekomponentnih materijala sa dobro kontrolisanom stehiometrijom; 3) Mogunost brzog formiranja depozita na relativno niskim temperaturama zahvaljujui malim difuzionim rastojanjima izmeu reaktanata i meuproizvoda; 4) Relativno nii trokovi procesa u poreenju sa konvencionalnim CVD-om zato to se AACVD proces moe izvoditi u otvorenoj atmosferi, kod depozicije oksida i nekih na kiseonik manje osjetljivih neoksidnih materijala, bez potrebe za upotrebom sofisticiranijeg reaktora i/ili vakum sistema.

14


M.Peki

1.3.5. ELEKTROSTATIKI SPREJ POTPOMOGNUTA PARNA DEPOZICIJAElektrostatika Sprej Potpomognuta Parna Depozicija (ESAVD) je jednostavna i sa aspekta trokova efikasna metoda depozicije koja se zasniva AACVD procesu. Mehanizam ESAVD depozicije je prikazan na slici 8.

Slika 8. ematski prikaz ESAVD procesa

On ukljuuje sprej atomizirane kapljice prekursora kroz elektrino polje u zagrijanoj sredini, gdje se kapljice sa elektrinim nabojem podvrgavaju dekompoziciji i hemijskoj reakciji u parnoj fazi. Hemijske reakcije se mogu tako prilagoditi da se odigravaju u razliitim zonama u cilju dobijanja gustih filmova, poroznih pravlaka ili nanokristalnih prahova. ESAVD je atomistika metoda depozicije kojom se mogu dobiti visoko isti materijali sa kontrolisanom strukturom na nanometarskom nivou i pri relativno niskim temperaturama, optimiziranjem parametara procesa. Glavni parametri procesa ESAVD su: temperatura depozicije, jaina polja, rastojanje izmeu zagrijanog substrata i atomizera prekursora, brzina protoka prekursora i veliina sprej kapljica. Slika 9. Ilustruje tipine primjere razliitih mikrostruktura materijala koji se mogu dobiti ESAVD procesom podeavanjem pogodne hemijske reakcije koja se odigrava.

15


M.Peki

Slika 9. SEM analiza mikrostrukture razliitih filmova deponovanih ESAVD procesom: (a) gusti filmovi, (b) porozni filmovi (c) vieslojne prevlake. U poreenju sa konvencionalnom CVD, ESAVD metoda ima sledee prednosti: a) Visok stepen efikasnosti depozicije (>90%) jer je prekursor usmjeren ka substratu i pod elektrinim poljem. Tako se minimziraju gubici prekursora u okolinu. b) Ima malu potronju hemijskih prekursora sa relativno niskom koncentracijom (0,05M).

16


M.Peki

c) ESAVD metoda ne ukljuuje korienje skrubera i prateeg sistema za odpadne gasove za uklanjanje neizregavanih prekursora ili toksinih nusproizvoda, jer su polazni materijali relativno pogodniji za okolinu i korite se u malim koliinama (0,05M) kao i zbog visokog stepena konverzije prekursora i efikasnosti depozicije (>90%). d) Ovo je prilagodljiva tehnika koja moe proizvoditi tanke i debele filmove (>250m) u obliku jednoslojnih,vieslojnih i kompozitnih prevlaka. e) Mogu se proizvesti visoko isti materijali na relativno niskim temperaturama procesa. f) To je jednostepeni proces bez potrebe za dodatnim toplotnim tretmanom. g) Prosta i fleksibilna tehnika koja doputa ukljuivanje depozicionih tehnika u toku procesa.

17

metode dobijanja visoko čistih prahov - seminarski rad

Documents