Na deposição em fase vapor por processo físico (PVD), são utilizados vários gases, consoante o processo específico e as propriedades de revestimento pretendidas.Estes gases podem ser classificados, em termos gerais, em gases inertes e gases reactivos.Os gases inertes, como o árgon, são utilizados principalmente nos processos de pulverização catódica para facilitar a ejeção dos átomos do material alvo.Os gases reactivos, como o oxigénio, o azoto, o metano e o acetileno, são utilizados para reagir quimicamente com o material ejectado, formando compostos como óxidos, nitretos e carbonetos.A escolha do gás depende de factores como o peso atómico do material alvo e a composição química desejada do revestimento.
Pontos-chave explicados:
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Gases inertes em PVD:
- Árgon (Ar): O gás inerte mais comummente utilizado em PVD, particularmente em processos de pulverização catódica.O árgon é escolhido por ser quimicamente inerte, o que significa que não reage com o material alvo.O seu peso atómico é próximo do de muitos materiais alvo, tornando-o eficiente para a transferência de momento durante a pulverização catódica.
- Néon (Ne): Utilizado para pulverização catódica de elementos leves devido ao seu baixo peso atómico, que combina bem com materiais-alvo mais leves.
- Crípton (Kr) e Xénon (Xe): Estes gases inertes mais pesados são utilizados para a pulverização catódica de elementos pesados.Os seus pesos atómicos mais elevados tornam-nos mais eficazes na transferência de impulso para materiais-alvo mais pesados.
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Gases reactivos em PVD:
- Oxigénio (O2): Utilizado para formar revestimentos de óxido de metal.Quando o oxigénio reage com os átomos de metal ejectados do alvo, forma compostos como o óxido de titânio (TiO2) ou o óxido de alumínio (Al2O3), que são normalmente utilizados pela sua dureza e propriedades ópticas.
- Nitrogénio (N2): Reage com átomos de metal para formar nitretos metálicos, como o nitreto de titânio (TiN) ou o nitreto de alumínio (AlN).Estes revestimentos são conhecidos pela sua resistência ao desgaste e são frequentemente utilizados em ferramentas de corte e revestimentos decorativos.
- Metano (CH4) e Acetileno (C2H2): Estes gases são utilizados para formar carbonetos metálicos, como o carboneto de titânio (TiC) ou o carboneto de tungsténio (WC).Os revestimentos de carboneto são valorizados pela sua dureza e resistência ao desgaste e à corrosão.
- Hidrogénio (H2): Por vezes utilizado em combinação com outros gases para modificar as propriedades do revestimento, como a redução de óxidos ou a alteração da microestrutura da película depositada.
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Sistema de entrada de gás de processo:
- Os gases são fornecidos a partir de cilindros de gás e são controlados através de uma série de válvulas e medidores antes de entrarem na câmara de vácuo.Isto assegura um controlo preciso dos caudais de gás e da sua composição, o que é fundamental para obter as propriedades de revestimento desejadas.
- O sistema deve ser cuidadosamente calibrado para manter a mistura de gás e a pressão corretas dentro da câmara, uma vez que estes parâmetros afectam diretamente a qualidade e a consistência do revestimento PVD.
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Sputtering reativo:
- Na pulverização reactiva, são introduzidos gases reactivos como o azoto ou o acetileno no processo de pulverização.Estes gases reagem quimicamente com os átomos do material alvo ejectado, formando revestimentos compostos diretamente no substrato.
- Este processo permite a deposição de uma vasta gama de materiais, incluindo óxidos, nitretos e carbonetos, com um controlo preciso da composição química e das propriedades do revestimento.
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Aplicações de diferentes gases:
- Árgon: Utilizado em processos de pulverização catódica não reactivos em que o objetivo é depositar películas de metal puro sem modificação química.
- Oxigénio: Utilizado para criar revestimentos de óxido transparentes, duros e resistentes ao desgaste, frequentemente utilizados em aplicações ópticas e de proteção.
- Nitrogénio: Normalmente utilizado na produção de revestimentos de nitreto duros e resistentes ao desgaste para ferramentas e maquinaria.
- Metano/Acetileno: Utilizado para produzir revestimentos de carboneto, que são extremamente duros e resistentes ao desgaste, tornando-os adequados para ferramentas de corte e aplicações de alta tensão.
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Considerações sobre a seleção de gás:
- Correspondência de pesos atómicos: O peso atómico do gás de pulverização catódica deve ser próximo do peso atómico do material alvo para garantir uma transferência de momento eficiente.É por esta razão que o árgon é normalmente utilizado para muitos metais, enquanto o néon, o crípton ou o xénon são utilizados para elementos mais leves ou mais pesados, respetivamente.
- Reatividade: A escolha do gás reativo depende da composição química pretendida para o revestimento.Por exemplo, o oxigénio é utilizado para revestimentos de óxidos, o azoto para revestimentos de nitretos e o metano ou acetileno para revestimentos de carbonetos.
- Controlo do processo: Os caudais de gás, a pressão e a mistura devem ser cuidadosamente controlados para obter as propriedades de revestimento pretendidas.Isto requer instrumentação e monitorização precisas ao longo de todo o processo de PVD.
Em resumo, os gases utilizados na PVD são selecionados com base no seu papel no processo de deposição, quer como gases inertes para pulverização catódica, quer como gases reactivos para a formação de revestimentos compostos.A escolha do gás, juntamente com o controlo preciso dos parâmetros do processo, é crucial para obter as propriedades de revestimento desejadas nas aplicações de PVD.
Tabela de resumo:
| Tipo de gás | Exemplos | Papel na PVD | Aplicações |
|---|---|---|---|
| Gases inertes | Árgon (Ar), Neon (Ne) | Facilitam a pulverização catódica ao ejetar átomos do material alvo sem reação química | Pulverização catódica não reactiva para películas de metal puro |
| Gases reactivos | Oxigénio (O2), Azoto (N2) | Reagem quimicamente com o material alvo para formar óxidos, nitretos ou carbonetos | Revestimentos duros e resistentes ao desgaste para ferramentas, ótica e aplicações decorativas |
| Gases reactivos | Metano (CH4), Acetileno (C2H2) | Formar carbonetos metálicos para extrema dureza e resistência ao desgaste | Ferramentas de corte e aplicações de alta tensão |
| Gases reactivos | Hidrogénio (H2) | Modifica as propriedades do revestimento reduzindo os óxidos ou alterando a microestrutura | Aplicações especializadas que requerem modificações precisas do revestimento |
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