Lección 3. Caracterización y modificación de superficies (2017)

Resumen Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Nanociencia y Nanotecnología - 2º curso
Asignatura Laboratori de microscopies
Año del apunte 2017
Páginas 5
Fecha de subida 11/06/2017
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Sara Arias Blanco LECCIÓN 3. CARACTERIZACIÓN Y MODIFICACIÓN DE SUPERFICIES LECCIÓN 3. CARACTERIZACIÓN Y MODIFICACIÓN DE SUPERFICIES TABLA DE CONTENIDO 1 CARACTERIZACIÓN DE SUPERFICIES 2 2 RELACIÓN SUPERFICIE/VOLUMEN 2 2.1 ESTUDIO DE SUPERFICIES 2.1.1 TRIBOLOGÍA 2.2 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES 2.2.1 LUBRICACIÓN 2.2.2 FUNCIONALIZACIÓN DE SUPERFICIES 2.2.3 PATTERNING DE SUPERFICIES 2 2 4 4 4 5 1 CARACTERIZACIÓN DE SUPERFICIES Superficie industrial = real Naturaleza de los átomos Distribución espacial Terrazas (superficies planas) Superficie real compuesta por Defectos (escalones, pliegues) Diferentes propiedades electrónicas en los sitios superficiales Diferentes distribuciones atómicas • Propiedades superficiales dependen de • Propiedades materiales Bulk Superficie Conductividad (eléctrica y térmica) Temperatura de fusión Adsorción (capacidad de los átomos para unirse a la superficie) Capacidad calorífica Catálisis y oxidación Modulus, dureza Fricción, adhesión, lubricación Ilustración 1. Propiedades volumen vs superficie 2 RELACIÓN SUPERFICIE/VOLUMEN A ↓ tamaño, ↑ importancia de las propiedades superficiales. D (grado de dispersión) varía mucho a ↓ tamaño, mientras que a ↑ tamaño, D se mantiene casi constante. 𝐷 = ÁABCBD DEFGHIJKJLMGD ÁABCBD ABALMGD Necesitamos estudiar superficies para el rozamiento, el desgaste, unión y adhesión, corrosión y oxidación, barreras dieléctricas, biocompatibilidad, catálisis, resistencia a la fatiga, aspecto, color… En el estudio de superficies estudiamos: • • 2.1 2.1.1 El tratamiento lo podemos enfocar: • • • Propiedades fisicoquímicas Tribología/nanotribología Mejorar (químico o termodinámico) Limpieza (a escala macro) Preparación (escala nano) Estudio de superficies Tribología 1 Estudia fricción y sus efectos asociados: desgaste, lubricación. Tenemos en cuenta el diseño, los materiales y las condiciones del medio. Desgaste Fricción Ejemplo Fenómenos de interacción entre superficies: contacto y adhesión, fricción, desgaste y Mín Mín Engranajes. 2 lubricación . Mín Máx Frenos, embragues, neumáticos (materiales Factores de los que depende el rozamiento; resistentes al desgaste) rugosidad, lubricación, rigidez o flexibilidad. Ilustración 2. Ejemplos alcaratorios de desgaste vs fricción. Máx Mín Lápiz, deposición de lubricantes sólidos, mediante deslizamiento. Máx Máx Borrador (goma) 1 2 Resistencia que se opone a la rotación o rozamiento de un cuerpo sobre otro. Fricción en seco, o fricción con lubricante 2 Fuerzas de fricción = 𝝁 · 𝑵 Estática Desgaste Dinámica Necesaria para iniciar movimiento Necesaria para mantener el movimiento; permite frenar los vehículos y girar en las curvas. Es mayor o igual a la tangencial Menor a la estática Causa de desgaste y pérdidas de energía. Daño en la superficie por contacto en movimiento de un material con una superficie sólida, que causan rotura o desprendimiento de la superficie. Causa fallos mecánicos, hay que disminuirlo para que dure más un equipo. Independiente del área de contacto. No es solo propio del material, sino que también es respuesta del sistema. Velocidad independiente de la velocidad (en la práctica no). Si tenemos una polea, el peso que cae será el que se iguale a la fuerza de rozamiento. Ilustración 3. Fuerzas de fricción + rugosidades. Rugosidad: las superficies rugosas causan fricción y desgaste Definición Características que la definen Desviaciones de la superficie determinadas por el material y el proceso que formó la superficie. Ondulación: desviaciones de espaciamiento grande. Causas: deflexión del trabajo, tratamientos térmicos. Orientación: dirección de la textura. Determinada por: método de manufactura (herramienta de corte). Ra⟶promedio de valores absolutos de alturas medias a partir de la línea central Conceptos Ventajas: buen parámetro estadístico, barato, bueno para superficies aleatorias. Desventajas: no diferencia entre tipos distintos de superficies. Ventajas: buen parámetro estadístico. Rq⟶Promedio de desviaciones respecto a la media. Desventajas: precio medio-alto. Rt⟶Ancho del pico más alto más ancho del valle más bajo. Rugosímetro mecánico o perfilómetro Técnicas de medida Rugosímetro óptico 3D AFM 3D Resolución Aplicaciones Campo: 100𝜇m10mm Rugosidad, pulido. Lateral: 2 𝜇m Campo: 0,15𝜇m-5𝜇m Lateral: 0,2-2 𝜇m Campo: 100𝜇m10mm Lateral: 1-20nm Ilustración 4. Rugosidad 3 Lleva tiempo largo y puede dañar la muestra Rugosidad, 3D Microrrugosidad, imagen, nanoobjetos, nanomotivos. Campo pequeño. Uso de AFM: estudios nanotribológicos. Para entender los fenómenos a pequeña escala y para estudiar el funcionamiento de las 3 nanoestructuras y de capas ultra finas en componentes MEMS/NEMS . La resolución lateral viene determinada por el radio de curvatura de la punta. 2.2 Tratamiento de superficies 2.2.1 • • Lubricación Líquidos: aceites Gaseosos: corriente de aire a presión que separa dos piezas en movimiento. · fricción debido a enlace molecular débil. Alineamiento de moléculas y adherencia a la contra superficie Polímeros · µ bajo · combinación con fillers para formar composites Sólidos (bajo coeficiente de desgaste y de fricción): grafito, talco · Capas con enlace débil entre ellas pero fuerte en la misma capa.
Compuestos laminares · Mecanismo de fricción debido a la compactación sobre la superficie con los planos.
Sensibles a la humedad y al Oa • El uso de lubricantes sólidos puede ser realizando revestimientos antifricción, o bien tratamientos termoquímicos. Modificación de la superficie para 2.2.2 Mejorar cualidades de lubricación y rozamiento Eliminar la necesidad de lubricación Aumentar resistencia al desgaste, a la fatiga y a la corrosión Funcionalización de superficies 4 Lo podemos llevar a cabo mediante técnicas químicas, electroquímicas, películas finas (cvd , pvd), coating de conversión, ensamblaje molecular… 2.2.2.1 SAM (Self-Assembled Monolayers) Los SAMs más estudiados son gold-alkyltiolate y alkylsilane. Los métodos de deposición son por vapor, electrodeposición o electroless. Ventajas Moléculas largas y alifáticas pueden maximizar la densidad de empaquetamiento y las interacciones de Van der Waals Se forman fácilmente en superficies planas y curvas Se puede introducir cualquier grupo funcional en la superficie Desventajas 2.2.2.2 Los agujeros son inevitables Fragilidad Solo se pueden añadir grupos funcionales en la superficie Bajo mojado y baja adhesión Funcionalización de superficies poliméricas • Debido a la baja energía superficial Propiedades superficiales de polímeros. Tiene lugar gracias a la interacción del plasma producido por iones, radicales y fotones con la superficie; • • Limita el uso de procesos químicos líquidos Se incorporan grupos químicos, cambiando las propiedades. Se tratan las monocapas superiores. TRATAMIENTO CORONA: convertimos bajo mojado a alto. Una descarga de corona es plasma a condiciones de presión estándar. El plasma se produce a altos voltajes; cuando hay una descarga eléctrica, el ozono se descompondrá en O2 y O·. Este último es el que trabajará sobre el polímero u otras moléculas en el aire. Barato Ventajas: Desventajas: Sencillo Baja selectividad química en la superficie Válido con pocos polímeros Limitado al aire Tratamiento en 2D 3 4 Sistemas microlectromecánicos Chemical vapor deposition 4 • La energía superficial debe ser superior en 210mN/m Tratamiento alternativo con plasma • Proceso seco, alternativo a procesos químicos para mojar la superficie 2.2.3 Patterning de superficies Si combianamos el patterning de superficies junto a la funcionalización, podemos jugar con la hidrofobicidad de las superficies. 2.2.3.1 Control de superficies por hidrofobicidad Materiales PMMA, hidrofílico Capeado hidrofóbico para PMMA PFDTES Podemos usar esto para crear vidrios y tejidos superhidrofóbicos y autolimpiables. Como ejemplo de superficies superhidrofóbicas tenemos el efecto Loto: en cuanto a propiedades químicas observamos la hidrofobicidad, mientras que a topografía vemos una rugosidad mutiescala. Métodos de control • • Mojabilidad; facilidad que tiene un fluido para extenderse sobre la superficie Caracterización superficial rugosidad/composición Se considera hidrofóbico si el ángulo es mayor de 90º (energía de superficie baja), y superhidrofóbica para ángulos mayores de 140º. 5 ...