I rivestimenti diamantati sono realizzati principalmente con tecniche di deposizione da vapore chimico (CVD).
Esistono metodi specifici, tra cui la CVD al plasma a microonde (MPCVD), la CVD al plasma spray ad arco DC (DAPCVD) e la CVD a filo caldo (HFCVD).
Tra questi, l'HFCVD è particolarmente favorito per le applicazioni industriali grazie alla sua economicità e alla capacità di produrre rivestimenti diamantati uniformi su ampie superfici.
7 fasi chiave spiegate
1. Principio della deposizione di vapore chimico a filamento caldo (HFCVD)
L'HFCVD funziona avviando una reazione in fase gassosa a bassa pressione e ad alta temperatura.
In questo processo, gli idrocarburi reagiscono chimicamente a temperature elevate per generare precursori di film.
Quando la temperatura del substrato è ottimale, questi precursori si depositano sulla superficie, formando un film di diamante.
Il film risultante è caratterizzato da spessore e composizione uniformi e da una struttura densa.
2. Diversi tipi di rivestimenti diamantati
I rivestimenti diamantati sono classificati in base alla loro granulometria in quattro tipi: diamante ultrananocristallino (UNCD, <10 nm), diamante nanocristallino (NCD, 10-200 nm), diamante submicrocristallino (200-1000 nm) e diamante microcristallino (MCD, >1 µm).
La composizione della fase gassosa, in particolare il rapporto tra metano e idrogeno, influenza in modo significativo la nucleazione e la crescita di questi rivestimenti.
Ad esempio, un elevato contenuto di metano (>4%) promuove alti tassi di nucleazione secondaria, portando a grani di dimensioni più fini, mentre un contenuto di metano inferiore (<2%) porta a grani di dimensioni maggiori.
3. Qualità del diamante
La qualità dei rivestimenti di diamante viene valutata con la spettroscopia Raman.
Il picco a 1332 cm-1 indica la presenza di diamante naturale, mentre i picchi a 1550 cm-1 e 1350 cm-1 indicano carbonio amorfo (sp2).
Al diminuire della dimensione dei grani, il picco del diamante si allarga e il contenuto di sp2 aumenta, influenzando le proprietà del materiale.
Si possono osservare anche altre caratteristiche spettroscopiche, che forniscono ulteriori informazioni sulla struttura e sulla qualità del rivestimento.
4. Proprietà dei rivestimenti diamantati
I rivestimenti diamantati possiedono proprietà eccezionali come l'elevata durezza, la resistenza all'usura, il basso attrito e l'alta conducibilità termica.
Queste proprietà li rendono ideali per varie applicazioni in scienza dei materiali, ingegneria, chimica e biologia.
Le loro forme sottili e ultrasottili sono particolarmente utili per i dispositivi ottici, le celle solari e gli elettrodi trasparenti, grazie alla loro elevata trasparenza e robustezza meccanica.
5. Utensili di rettifica con rivestimento diamantato CVD
Il processo CVD viene utilizzato anche per creare strati diamantati di rettifica sugli utensili.
Si tratta di depositare rivestimenti massicci di diamante direttamente sul substrato, ottenendo una rugosità a spigoli vivi che migliora le capacità di rettifica dell'utensile.
Il processo utilizza il metano come fonte di carbonio e richiede temperature elevate per l'attivazione, in genere ottenute utilizzando filamenti caldi disposti vicino alla superficie del substrato.
6. Preparazione degli utensili per il rivestimento
Prima del rivestimento, gli utensili in carburo di tungsteno sono sottoposti a un accurato processo di preparazione.
Questo include la pulizia e un trattamento chimico in due fasi per irruvidire la superficie per una migliore adesione e per rimuovere il cobalto, che inibisce la crescita del diamante.
7. Efficienza complessiva del processo
Nel complesso, il processo CVD, in particolare l'HFCVD, offre un metodo versatile ed efficiente per la produzione di rivestimenti diamantati di alta qualità adatti a un'ampia gamma di applicazioni industriali e scientifiche.
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