پوشش‌دهی دورانی چیست؟

مولف: علی کوثری مهر

پوشش‌دهی دورانی

پوشش‌دهی دورانی یک روش انباشت لایه ضخیم است که می‌تواند پوشش‌هایی بسیار یکنواخت تولید کند. محدوده‌ی ضخامت پوشش، بازه‌ی گران‌روی جوهر و میزان بارگیری پودر در این روش به ترتیب 1 تا 3 میکرومتر بر لایه (تا تقریبا 50 میکرومتر)، 0.01 تا 1 Pa-s و 1 تا 20 درصد حجمی است. در این فرآیند، سیالی که قرار است انباشت شود، بر روی زیرلایه‌ای که ساکن است یا با سرعتی اندک در حال چرخش است قرار می‌گیرد. سپس زیرلایه با شتاب بالا می‌چرخد تا موجب به وجود آمدن نیروهای گریز از مرکز گردد در حالیکه نیروهای چسبندگی بین زیرلایه و سیال بر خلاف نیروهای گریز از مرکز به وجود آمده، هستند. این موضوع موجب به وجود آمدن نیرویی برشی در سیال و پرانش سیال می‌گرد. در مرحله‌ی آخر، لایه‌ی ضخیم خشک می‌شود. چهار مرحله‌ی این فرآیند به صورت خلاصه، انباشت، شروع چرخش تا رسیدن به سرعت مورد نظر، اتمام چرخش تا رسیدن به سکون و بخار شدن است. البته شایان ذکر است که تبخیر در تمامی مراحل اتفاق می‌افتد و تنها مختص مرحله‌ی آخر نیست. ضخامت نهایی لایه (h) به خواص جوهر و سرعت چرخش وابسته است:

h∝[(eη_i)/(mf_sρ_iω²)]^1/3

که در آن e، η_i، ρ_i، mf_s و ω به ترتیب کسر جرمی حلال در جوهر، چگالی جوهر، گرانروی جوهر، نرخ انباشت جوهر و سرعت چرخش دستگاه پوشش‌دهنده‌ی دورانی است.

پوشش‌دهی دورانی می‌تواند روش انباشتی نسبتا نابهینه باشد زیرا تا 95 درصد مواد در حین فرآیند دوران از دست می‌رود. این موضوع می‌تواند برای موادی که ناسازگار با محیط زیست یا گرانقیمت هستند، مشکل‌ساز باشد زیرا این مواد بایستی بازیابی شوند یا به صورت ایمن دفع گردند.

این فرآیند همچنین به شدت به رفتار یکنواخت جوهر وابسته است (یعنی جوهر بایستی رفتاری تقریبا نیوتونی داشته باشد). به علاوه، شایان ذکر است که نیروهای برشی در گوشه‌های نمونه بسیار بیشتر از مرکز هستند و نیروی گریز از مرکز از صفر در مرکز تا Rω² درگوشه‌ها افزایش پیدا می‌کند. اگر سیال رفتاری نیوتونی از خود نشان دهد، تفاوت در نیروی گریز از مرکز موجب تغییر گرانروی نمی‌گردد که موجب می‌شود تا پوششی یکنواخت شکل بگیرد. با اینحال اگر جوهر رفتار رقیق شدن برشی از خود نشان دهد، گرانروی جوهر در نزدیکی مرکز بیشتر از گوشه‌ها خواهد بود. این موضوع باعث به وجود آمدن پروفایل ضخامتی می‌شود که در آن مواد غلیظ‌تر در مرکز و مواد رقیق‌تر در گوش‌ها هستند. جوهرهای دارای رفتار غلیظ شدن برشی به صورت معکوس با آنچه گفته شد عمل می‌کنند اما اثر آن‌ها ممکن است کمتر به چشم بیاید زیرا مواد غلیظ‌تر در گوشه‌ها تمایل دارند تا جوهر را در مرکز نگه دارند.

منابع:

1. Dorey R (2012) Thick-film deposition techniques: How to make thick films – the processing techniques used to create films. Ceram Thick Film MEMS Microdevices 63–83. Webpage