Em nossa série de materiais Spot on, apresentamos até agora materiais sólidos e tangíveis, como níquel ou titânio. Desta vez, nos concentramos em uma “entidade” (grego antigo: plasma) sem a qual as soluções de superfície modernas seriam inconcebíveis.
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Plasma: a entidade que possibilita a inovação em soluções de superfície
Sem o plasma, as soluções modernas de superfície seriam inconcebíveis
Como o plasma é formado?
O plasma é o “quarto estado da matéria” depois de sólido, líquido e gasoso. Ocorre quando um gás é fornecido com energia adicional na forma de calor. As altas temperaturas fazem com que os elétrons se desprendam da estrutura atômica, o que cria uma mistura de partículas livres - íons carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. Quanto mais destes presentes no plasma, mais “ionizado” ele fica. O grau de ionização do plasma pode variar de 1 a 100%.
Onde é encontrado plasma?
Na vida cotidiana, raramente observamos plasmas, mas esse estado da matéria é muito comum em todo o universo. Nosso sol, que está a milhões de graus de calor em seu núcleo, consiste em plasma, como a maioria das estrelas. As nebulosas gasosas e o espaço interestelar também são amplamente constituídos por essa entidade. O plasma ocorre naturalmente na Terra - e quando ocorre, é espetacular! Por exemplo, as luzes do norte e os raios do relâmpago são feitos de plasma: com temperaturas de até 30.000 ° C, o relâmpago pode aquecer localmente a atmosfera da Terra a tal ponto que os átomos se dividem, e vemos o plasma resultante como um flash brilhante de luz.
Como os outros estados da matéria, o plasma e seu poder foram aproveitados pela humanidade para uma série de usos técnicos. Mas, para ser usado para esses fins, o plasma deve ser gerado artificialmente. A energia necessária para isso é normalmente fornecida por um gás eletricamente carregado ou por fortes feixes de laser.
Para que é usado o plasma?
Os plasmas têm naturezas muito diferentes, mas têm isto em comum: eles são eletricamente condutores e podem ser influenciados magneticamente. Com suas características diferentes, eles podem ser usados para muitos desenvolvimentos e processos - inclusive em lâmpadas fluorescentes de baixo consumo, em displays de plasma, para desinfecção de instrumentos médicos e até mesmo para fusão nuclear em reatores.
Oerlikon Balzers e Oerlikon Metco usam plasma para revestimento de superfície. “Cientificamente falando, estamos lidando com a mesma coisa - pesquisa de plasma. Mas, quando se trata de aplicações, estamos trabalhando nas duas pontas do espectro do plasma ”, concordam os cientistas de materiais Alessandro Zedda (Oerlikon Balzers) e Alexander Barth (Oerlikon Metco).
Pulverização de plasma atmosférico: alta pressão e alta densidade
Na maioria dos processos de pulverização térmica, o trabalho é realizado sob pressão atmosférica normal. A matéria-prima de revestimento, na forma de partículas de pó, está geralmente na faixa de tamanho de 10 a 100 micrômetros. Este é derretido em um jato de plasma estreito (6 a 10 mm de diâmetro) e pulverizado sobre a superfície a ser revestida. A temperatura do plasma pode chegar a 20.000 ° C, o que equivale à temperatura da superfície do nosso sol! Isso torna possível derreter qualquer material. Ao equilibrar com precisão as propriedades do plasma e do material, as partículas são levadas à temperatura e velocidade ideais para obter um resultado de revestimento ideal.
O gerador de plasma consiste em um bico estreito, ou ânodo, através do qual o gás flui continuamente, e um eletrodo ou cátodo que está concentricamente localizado dentro do bico. O bico com carga positiva e o eletrodo com carga negativa formam um par elétrico, ionizando assim o gás em fluxo e convertendo-o em plasma. O material de alimentação do revestimento é então injetado no plasma, onde se funde e é impelido para a superfície a ser revestida.
“O plasma é muito eficiente na geração desse alto calor porque toda a energia elétrica é convertida em calor. Cooperamos com parceiros e universidades na pesquisa de revestimento de plasma, e as descobertas são incorporadas a novos produtos da Oerlikon Metco continuamente ”, explica Alexander Barth.
Revestimentos PVD: baixa pressão e baixa densidade
Para revestimentos PVD ultrafinos de alta qualidade, o plasma é gerado evaporando átomos do alvo metálico. Os íons são formados separando os elétrons dos átomos. Esses íons são atraídos para o substrato a ser revestido (pode ser um componente ou uma ferramenta) pela aplicação de uma tensão elétrica. Eles atingem o substrato com alta energia, se difundem em sua superfície e se combinam para formar um revestimento fino e denso. Para evitar que colidam com as moléculas de ar durante sua “jornada”, um alto vácuo é criado.
A geração de plasma requer uma grande quantidade de energia - na forma de alta voltagem de várias centenas de volts. A qualidade do revestimento depende não apenas da escolha do material alvo, mas também da voltagem e da energia do plasma. “O projeto das fontes de plasma é muito importante para a qualidade dos revestimentos resultantes. É por isso que na Oerlikon Balzers estamos engajados em pesquisas constantes para melhorar as fontes de plasma e os revestimentos resultantes ”, explica Alessandro Zedda.
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