گفتيم که يکي از مهمترين عواملي که باعث شد بشر اقدام به پوشش برخي از مواد به وسيلة مواد ديگر کند، نياز به بهبود خواص مهندسي اين مواد بود. در اين قسمت، ابتدا خواص مهندسي مواد را در سه دستة خواص شيميايي، خواص مکانيکي و خواص فيزيکي توضيح مي دهيم و سپس خواص مهندسي پوشش هاي معمولي و نانوپوشش ها را مقايسه مي کنيم. اختلاف نانوپوشش ها با پوشش هاي معمولي در ساختار و خواصشان است. پس با شناختن خواص و ساختار نانوپوشش ها مي توان متوجه اين اختلاف ها شد. خاصيت هر ماده مربوط به ذرات سازندة آن است. خواص پوشش، به دانه¬ و ذرات تشکيل دهندة آن بستگي دارد. خواص شيميايي، فيزيکي و مکانيکيِ نانوپوشش ها خواصي هستند از قبيل: مقاومت الکتريکي، نفوذپذيري، مقاومت نسبت به خوردگي، سايش، خاصيت مغناطيسي و... . اين خواص تابع ساختار و اندازة دانة پوشش ها هستند. روشن است که استفاده از اين خواص کاربردهاي زيادي فراهم مي کند. يکي از تفاوت هاي عمده ميان نانوپوشش ها و پوشش هاي معمولي، مقاومت بالاي نانوپوشش ها نسبت به خوردگي است.
خواص خوردگي
اتم ها در حوزه هايي به صورت منظم چيده شده اند. به اين حوزه هاي منظم «دانه» مي گويند. (مقالة «چه چيزي خواص مواد را مشخص مي كند؟» را ببينيد.) اگر سه دانه با هم برخورد کنند، به آن نقطه، «نقطة سه گانه» مي گويند. اين به آن مي ماند که سه دايره با هم برخورد کنند. به خاطر شکل هندسي دايره، فضاي خالي اي در محل اتصال ايجاد مي شود که به آن «مرز دانه» مي گويند. شكل زير را بينيد. اتم هايي که در مرز قرار دارند، متعلق به هيچ دانه اي نيستند. در نتيجه با اتم هاي کناري خود تعداد پيوند کمتري برقرار مي کنند. وقتي مادة خورنده در پوشش نفوذ مي کند، با اتم هاي مرزِ دانه پيوند تشکيل مي دهد و مواد جديدي درست مي¬کند. مثلاً وقتي آب در آهن نفوذ مي کند، زنگ آهن درست مي کند که از نظر ترکيب، هم با آب و هم با آهن فرق دارد. به اين ترتيب، باعث خوردگي مي¬شود. با اين حساب، نانوپوشش ها بايد بيشتر در معرض خوردگي باشند. پس چرا مقاومترند؟ در نانوپوشش ها مساحت مرزِ دانه زياد است و اين موجب خوردگي بيش از اندازه مي شود. ولي اين خوردگي در مرز اتفاق مي افتد نه درون دانه. اما چون اين نقاط پراکندگي يکنواختي دارند، بنابراين خوردگي يکنواخت تر است و خوردگي موضعي که ترک و شکست ايجاد مي کند در کار نخواهد بود.
خواص مکانيکي
پوشش دهي و نانوپوشش ها خواص مناسب ديگري هم دارند که موجب استفادة فراوان از آنها شده است. تصور کنيد که مادة نرمي داشته باشيد و براي شما مهم است اين ماده نرم باشد تا در برابر ضربه و ديگر بارها و نيروهاي مکانيکي که به صورت ناگهاني اعمال مي شوند نشکند. اما از طرفي اين ماده همواره در تماس با يک مادة زبر است و بين اين دو قطعه اصطکاک به وجود مي آيد. خوب واضح است که روي سطح مادة نرم شما همواره خش و خط مي افتد و قطعة شما از بين خواهد رفت. براي حل اين مشکل يک لايه از يک مادة سخت را روي سطح مادة اول مي نشانند تا در برابر نيروهايي که در سطح ماده اعمال مي شوند، مثل اصطکاک، مقاوم شود. از طرف ديگر، مغز قطعه هنوز نرم و انعطاف پذير است. بنابراين، قطعه در برابر نيروهاي ناگهاني مثل ضربه هم مقاوم خواهد بود. پس ديديد که چگونه خواص مکانيکي يک ماده ــ مثل سختي ــ را با پوشش دهي مي توان بهبود بخشيد. حال توجه کنيد که ميزان سختي ــ يا همان مقاومت در برابر جسم فروروندة خارجي ــ به چند عامل بستگي دارد: 1. يکي از اين عوامل، نيروهاي بين اتميِ موادند. اين نيروها خاصيت ذاتي ماده اند. مثلاً نيروي بين اتم هاي آهن، به علت پيوند فلزي بين اتم هاي آهن خيلي بيشتر از نيروهاي اتمي بين اتم هاي گاز هليم اند که با پيوند واندروالسي به هم متصل مي شوند. اين امر در عمل هم قابل تصور است، چرا که اتم هاي گاز به راحتي، حتي با يک فوت، از هم جدا مي شوند. اين در حالي است که براي شکافت اتم هاي آهن بايد نيروي بسيار بسيار زيادي صرف کرد. 2. دومين عامل بسيار مؤثر در مقاومت مواد در برابر سختي، ساختار سطح مواد است. واضح است که اگر سطح مواد متخلخل و پر از ترک باشد، مقاومت مواد در برابر يک عامل فروروندة خارجي بسيار کمتر خواهد بود. با اين تصور، با استفاده از فناوري نانو مي توان ساختارهايي را توليد کرد که يا ترک هاي کمتري داشته باشند يا اندازة دانة آنها آن قدر کوچک باشند که وقتي عامل فروروندة خارجي به سطح ماده برخورد مي کند، عملاً به مرزهاي اين دانه ها برخورد کند و چون مرزها محل بي نظمي اتم ها هستند و انرژي پيوندها با پيوندهاي داخل دانه فرق دارند (به طوري که از خود مقاومت بيشتري در برابر مادة فروروندة خارجي نشان مي دهند)، پس مادة ريز دانة ما که دانه هايي در حد نانومتري دارد، مقاومت بيشتري در برابر سختي نشان مي دهد. البته چنين پوشش هايي ساير خواص مکانيکي مثل خستگي را هم بهبود مي بخشند، که به اختصار به آنها مي پردازيم.
خستگي
براي درک خستگي، يک سيم را تصور کنيد. براي پاره کردن آن چه مي کنيد؟ آيا آن را مي کشيد؟ البته اگر سيم پلاستيک يا نايلوني باشد شايد بتوان به اين طريق سيم را پاره کرد، اما براي پاره کردن سيم فلزي بايد چند بار آن را بالا و پايين کرد. در واقع، بايد جهت نيرو را عوض کرد. نيروهايي که به اين صورت با تغيير جهت وارد مي شوند، در واقع مواد را خسته مي کنند. يکي از مهمترين ويژگي هاي مواد که مقاومت آنها را در برابر خستگي مشخص مي کند، ويژگي هاي سطحي آنهاست که با نانوساختار کردن سطح و ريزدانه کردن و البته کم کردن نقايص سطحي، مثل ترک، مي توان اين خواص را بهبود بخشيد.
خواص فيزيکي
يکي از مهمترين مزيت هاي پوشش دهي، بهبود خواص فيزيکي مثل هدايت الکتريکي است. همان طور که مي دانيد هدايت بارهاي الکتريکي به وسيلة ارتعاش اتم ها و برخورد آنها با هم انجام مي شود .(براي تصور درست از اين قضيه بازي «دستِش دِه» را به ياد آوريد.) وقتي يک بارِ الکتريکي وارد مجموعه اي از اتم ها مي شود، اتم ها سر جاي خود مي لرزند و ارتعاش مي کنند. اين ارتعاش باعث مي شود بارهاي الکتريکي در داخل يک مجموعة اتمي انتقال پيدا کنند. واضح است که اگر در اين مجموعه جاي يک اتم خالي باشد در آن منطقه هدايت به خوبي انجام نمي شود. بنابراين، مادة هادي خوبي نخواهد بود و هر چه ماده منظم تر باشد اين هدايت راحت تر انجام مي شود. از طرف ديگر، بايد بدانيد که هر چه ماده بزرگتر مي شود، احتمال اينکه اتم ها سر جاي خودشان قرار گرفته باشند کاهش مي يابد و در واقع تعداد نقص هاي نقطه اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک اتم نباشد، در واقع جاي خالي يا اتم اضافي)، يا نقص هاي خطي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک رديف اتم نباشد)، يا نقص هاي صفحه اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک صفحة اتم نباشد) بيشتر مي شود و هر چقدر تعداد اين نواقص بيشتر باشد، خواص فيزيکي بيشتر افت مي کنند. از اين رو، در برخي از کاربردها مثل حسگرها (که در آنها يک انرژي به نوعي ديگر تبديل مي شود تا بتوان آن را آشکارسازي کرد) با نشاندن لايه هاي نازک، خواص الکتريکي ــ مثل هدايت ــ بهبود مي يابند
لطفا منتظر باشید ...
