Passziválás (kémia) - Passivation (chemistry)
A passziválás a fizikai kémiában és a mérnöki tevékenységben az anyag bevonását jelenti, így az "passzívvá" válik, vagyis kevésbé könnyen befolyásolja vagy korrodálja a környezet. A passziválás magában foglalja a pajzsanyag külső rétegének létrehozását, amelyet mikrobevonatként alkalmaznak, az alapanyaggal kémiai reakció útján hoznak létre, vagy a levegőben spontán oxidációval megengedik . Technikaként a passziválás egy védőanyag, például fém -oxid könnyű bevonatának használata a korrózió elleni pajzs létrehozásához . A szilícium passziválását használják a mikroelektronikai eszközök gyártása során . A víz elektrokémiai kezelésében a passziválás csökkenti a kezelés hatékonyságát az áramkör ellenállásának növelésével, és jellemzően aktív intézkedéseket alkalmaznak ennek a hatásnak a kiküszöbölésére, a leggyakoribb a polaritás megfordítása, ami a szennyeződési réteg korlátozott elutasítását eredményezi.
Levegő hatására sok fém természetesen kemény, viszonylag közömbös felületi réteget képez, általában egy oxidot (amelyet "natív oxidrétegnek" neveznek) vagy nitridet , amely passziváló rétegként szolgál. Az ezüst esetében a sötét folt az ezüst -szulfid passzivációs rétege, amely a környezeti hidrogén -szulfiddal való reakció során keletkezik . (Ezzel szemben a fémek, mint például a vas, könnyen oxidálódnak, és durva, porózus rozsda bevonatot képeznek, amely lazán tapad és könnyen leválik, lehetővé téve a további oxidációt.) Az oxid passziváló rétege jelentősen lelassítja a további oxidációt és korróziót az alumínium szobahőmérsékletű levegőjében , berillium , króm , cink , titán és szilícium ( fémloid ). A levegővel való reakció útján képződő közömbös felületi réteg vastagsága szilícium esetén körülbelül 1,5 nm, berillium esetén 1–10 nm , titán esetében kezdetben 1 nm, és néhány év múlva 25 nm -re nő. Hasonlóképpen, az alumínium esetében több év múlva körülbelül 5 nm -re nő.
A felületi passziválás a modern elektronika szempontjából kritikus félvezető eszközgyártási folyamatra utal . Ez az a folyamat, amelynek során egy félvezető felületet, például a szilíciumot közömbössé teszik, és nem változtatja meg a félvezető tulajdonságait, amikor kölcsönhatásba lép a levegővel vagy más anyagokkal. Ezt jellemzően termikus oxidációval érik el , amelyben az anyagot felmelegítik és oxigénnek teszik ki. Szilícium félvezetőben ez az eljárás lehetővé teszi, hogy az áram megbízhatóan behatoljon a felszín alatti vezető szilíciumba, és leküzdje azokat a felületi állapotokat, amelyek megakadályozzák, hogy az elektromos áram elérje a félvezető réteget. A felületi passziválás termikus oxidációval a szilícium -technológia egyik legfontosabb jellemzője, és meghatározó a mikroelektronikában. A felületi passziválási folyamatot Mohamed M. Atalla fejlesztette ki a Bell Labs cégnél az 1950 -es évek végén. Általában MOSFET - ek (fém-oxid-félvezető mezőhatású tranzisztorok) és szilícium integrált áramköri chipek ( síkbeli eljárással ) gyártásához használják , és kritikus fontosságú a félvezetőipar számára . A felszíni passziváció szintén kritikus fontosságú a napelem- és a szén -kvantumpont -technológiák szempontjából.
Mechanizmusok
Nagy érdeklődés mutatkozott az oxidréteg vastagságának idővel történő növekedését szabályozó mechanizmusok meghatározása iránt. Néhány fontos tényező az oxid térfogata az alapfém térfogatához viszonyítva, az oxigén diffúziójának mechanizmusa a fém -oxidon keresztül az alapfémig, valamint az oxid relatív kémiai potenciálja. A mikroszemcsék közötti határok, ha az oxidréteg kristályos, fontos utat képeznek az oxigén számára, hogy elérje az alábbi oxidálatlan fémet. Emiatt az üvegtest -oxid bevonatok - amelyeknek nincs szemcsehatára - késleltethetik az oxidációt. A passziváláshoz szükséges, de nem elégséges feltételeket a Pourbaix diagramok rögzítik . Néhány korróziógátló segíti a passziváló réteg kialakulását azon fémek felületén, amelyekre felviszik őket. Néhány vegyület oldatban oldva ( kromátok , molibdátok ) nem reaktív és alacsony oldhatóságú filmeket képez a fémfelületeken.
Történelem
Felfedezés
Az 1800 -as évek közepén Christian Friedrich Schönbein felfedezte, hogy ha egy vasdarabot híg salétromsavba helyeznek , az feloldódik és hidrogént termel , de ha a vasat tömény salétromsavba helyezzük, majd visszatesszük a híg salétromsavhoz, kevés vagy semmilyen reakcióra nem kerül sor. Schönbein az első állapotot aktív állapotnak, a másodikat pedig passzív állapotnak nevezte. Ha a passzív vasat megérinti az aktív vas, az újra aktívvá válik. 1920 -ban Ralph S. Lillie megmérte a passzív vashuzalt érintő aktív vasdarab hatását, és megállapította, hogy "az aktiválási hullám gyorsan (másodpercenként száz centiméterrel) végigsöpör a teljes hosszán".
Felületi passziválás
A felületi passziválási folyamatot, más néven Atalla passziválási technikát Mohamed M. Atalla fejlesztette ki a Bell Telephone Laboratories -ban (BTL) az 1950 -es évek végén. 1955 -ben Carl Frosch és Lincoln Derick a Bell Telephone Laboratories -ban (BTL) véletlenül felfedezték, hogy szilícium -dioxidot (SiO 2 ) lehet szilíciumon termeszteni . Megmutatták, hogy az oxidréteg megakadályoz bizonyos adalékanyagokat a szilíciumlapkába, míg másokat megenged, így felfedezve az oxidáció passzív hatását a félvezető felületre. Az 1950 -es évek végén Atalla felfedezte továbbá, hogy a termikusan termesztett SiO 2 réteg kialakulása nagymértékben csökkenti az elektronállapotok koncentrációját a szilícium felületén , és felfedezte a SiO 2 fóliák fontos minőségét a p – n csomópontok elektromos jellemzőinek megőrzése érdekében, és megakadályozzák ezen elektromos jellemzők romlását a gáz halmazállapotú környezet hatására. Megállapította, hogy szilícium -oxid rétegeket lehet használni a szilícium felületek elektromos stabilizálására. JR Ligenzának és WG Spitzernek, akik a termikusan termesztett oxidok mechanizmusát tanulmányozták, sikerült kiváló minőségű Si/ SiO 2 köteget gyártaniuk, Atalla és Kahng pedig felhasználta eredményeiket. Az Atalla kifejlesztette a felületi passziválási eljárást, a félvezető eszközök gyártásának új módszerét, amely magában foglalja a szilícium ostya bevonását egy szigetelő szilícium -oxid réteggel, hogy az áram megbízhatóan behatolhasson az alábbi vezető szilíciumba. Azzal, hogy szilícium -dioxid -réteget növesztett egy szilíciumlapkára, az Atalla képes volt legyőzni azokat a felületi állapotokat, amelyek megakadályozták, hogy az elektromos áram elérje a félvezető réteget. A felületi passziválási folyamathoz kifejlesztette a termikus oxidáció módszerét , amely áttörést jelentett a szilícium félvezető technológiában.
Az integrált áramköri lapkák kifejlesztése előtt a diszkrét diódák és tranzisztorok viszonylag nagy fordított előfeszítésű csomópont- szivárgást és alacsony megszakítási feszültséget mutattak , amit az egykristályos szilícium felszínén lévő csapdák nagy sűrűsége okozott. Atalla felszíni passziválási folyamata lett a megoldás erre a problémára. Felfedezte, hogy amikor egy vékony szilícium -dioxid -réteget növesztettek a szilícium felületére, ahol a p – n csomópont elfogja a felületet, a csomópont szivárgási árama 10 -ről 100 -ra csökkent. Ez azt mutatta, hogy az oxid csökkenti és stabilizálja a felületet és az oxidcsapdákat. A szilícium-felületek oxid-passziválása lehetővé tette a diódák és tranzisztorok gyártását jelentősen javított eszközjellemzőkkel, miközben a szilícium felszíne mentén lévő szivárgási út is hatékonyan elzáródott. Ez lett az egyik alapvető szigetelési képesség, amely a síktechnológiához és az integrált áramkör chipekhez szükséges.
Atalla először 1957 -ben tette közzé megállapításait a BTL jegyzeteiben, majd 1958 -ban mutatta be munkáját egy Elektrokémiai Társaság ülésén. Ugyanebben az évben további finomításokat hajtott végre a folyamaton kollégáival, E. Tannenbaummal és EJ Scheibnerrel, mielőtt közzétették volna eredményeiket. 1959. május. A Fairchild Semiconductor mérnöke, Chih-Tang Sah szerint az Atalla csapata által kifejlesztett felületi passziválási folyamat "lángra lobbantotta a nyomot", ami a szilícium integrált áramkör kifejlesztéséhez vezetett. Atalla felszínén passziváló módszer volt az alapja több fontos találmányok 1959-ben: a MOSFET (MOS tranzisztor) által Atalla és Dawon Kahng Bell Labs, a sík folyamat által Jean Hoerni a Fairchild Semiconductor és a monolitikus integrált áramkör chip Robert Noyce a Fairchild Az 1960-as évek közepére az Atalla oxidált szilícium felületekre vonatkozó eljárását gyakorlatilag minden integrált áramkör és szilícium-eszköz gyártására használták.
A napelemes technológiában a felületi passziváció kritikus fontosságú a napelemek hatékonysága szempontjából . A szén -kvantum -pont (CQD) technológiában a CQD -k kisméretű ( 10 nm -nél kisebb méretű) nanorészecskék, amelyek valamilyen felületi passzivációval rendelkeznek.
Specifikus anyagok
Alumínium
Az alumínium természetesen egy vékony felületű alumínium -oxid réteget képez, amikor az oxigénnel érintkezik a légkörben az oxidációnak nevezett eljárással , amely fizikai korlátot teremt a korrózió vagy a további oxidáció ellen sok környezetben. Egyes alumíniumötvözetek azonban nem képezik jól az oxidréteget, és így nem védettek a korrózió ellen. Vannak módszerek bizonyos ötvözetek oxidrétegének képződésének fokozására. Például a hidrogén -peroxid alumínium edényben való tárolása előtt a tartály passziválható úgy, hogy öblítse le salétromsav és peroxid híg , ioncserélt vízzel készített oldatával . A salétromsav és peroxid keverék oxidálja és feloldja a szennyeződéseket a tartály belső felületén, az ionmentesített víz pedig leöblíti a savat és az oxidált szennyeződéseket.
Általában két fő módja van az alumíniumötvözetek passziválásának (nem számítva a bevonatot , festést és egyéb védőbevonatokat): a kromatátváltó bevonat és az eloxálás . Az alkádozás , amely kohászatilag tiszta alumínium vagy ötvözet vékony rétegeit köti össze különböző bázisú alumíniumötvözetekkel, nem szigorúan az alapötvözet passziválása . A burkolt alumíniumréteget azonban úgy tervezték, hogy spontán módon fejlessze ki az oxidréteget, és ezáltal védje az alapötvözetet.
A kromát -konverziós bevonat a felületi alumíniumot alumínium -kromát -bevonatmá alakítja, amelynek vastagsága 0,00001–0,00004 hüvelyk (250–1 000 nm). Az alumínium-kromát konverziós bevonatok amorf szerkezetűek, vízzel hidratált gélszerű kompozícióval. A kromatátváltás nemcsak alumínium, hanem cink , kadmium , réz , ezüst , magnézium és ónötvözetek passziválásának gyakori módja .
Az eloxálás elektrolitikus folyamat, amely vastagabb oxidréteget képez. Az anódos bevonat hidratált alumínium -oxidból áll, és ellenáll a korróziónak és a kopásnak. Ez a felület robusztusabb, mint a többi eljárás, és elektromos szigetelést is biztosít , amit a másik két eljárás nem.
Vas anyagok
A vasanyagokat , beleértve az acélt is, némileg védeni lehet az oxidáció ("rozsda") elősegítésével, majd az oxidáció foszforsav alkalmazásával fém -foszfáttá alakításával, és további bevonattal. Mivel a bevonat nélküli felület vízben oldható, előnyös módszer a mangán- vagy cinkvegyületek előállítása olyan eljárással, amelyet általában parkerizálásnak vagy foszfát-átalakításnak neveznek . A régebbi, kevésbé hatékony, de kémiailag hasonló elektrokémiai konverziós bevonatok közé tartozott a fekete oxidáló , történelmileg kékülés vagy barnulás . Rendes acél képez passziváló réteg lúggal környezetekben, például betonvas teszi a beton .
Rozsdamentes acél
A rozsdamentes acélok korrózióállóak, de nem teljesen rozsdamentesek . Az egyik gyakori módja a korrózió korrózióálló acélok, amikor a kis foltok a felületen kezd rozsda miatt szemcsehatárokon vagy beágyazott bit idegen anyag (például őrlés fémforgács ) lehetővé teszik a vízmolekulák oxidálódnak néhány vas ezekben foltok ellenére ötvöző króm . Ezt hívják nagyolásnak . A rozsdamentes acél egyes fajtái különösen ellenállnak a nagyolásnak; a belőlük készült alkatrészek ezért a mérnöki döntések függvényében lemondhatnak minden passziválási lépésről.
Az összes specifikáció és típus között gyakoriak a következő lépések: A passziválás előtt a tárgyat meg kell tisztítani minden szennyeződéstől, és általában validáló teszten kell átesnie annak bizonyítására, hogy a felület „tiszta”. Az objektumot ezután savas passziváló fürdőbe helyezzük, amely megfelel a vevő és a gyártó között meghatározott módszer és típus hőmérsékletének és kémiai követelményeinek. Míg a salétromsavat általában rozsdamentes acél passziváló savaként használják, a citromsav egyre népszerűbb, mivel sokkal kevésbé veszélyes a kezelése, kevésbé mérgező és biológiailag lebomlik, így az ártalmatlanítás kevésbé kihívást jelent. A passziválás hőmérséklete a környezeti hőmérséklettől 60 ° C -ig vagy 140 ° F -ig terjedhet, míg a minimális passziválási idő általában 20-30 perc. Passziválás után az alkatrészeket vizes nátrium -hidroxid -fürdővel semlegesítik , majd tiszta vízzel leöblítik és szárítják. A passzív felületet páratartalom, megemelt hőmérséklet, rozsdásítószer (sópermet) vagy a kettő kombinációjával validálják. A passziválási folyamat eltávolítja az exogén vasat, passzív oxidréteget hoz létre/ állít helyre, amely megakadályozza a további oxidációt ( rozsda ), és megtisztítja a szennyeződéseket, a vízkő vagy más hegesztési vegyületeket (pl. Oxidokat).
A passziválási folyamatokat általában az iparági szabványok szabályozzák, ezek közül a legelterjedtebbek ma az ASTM A 967 és az AMS 2700. Ezek az ipari szabványok általában számos használható passziválási folyamatot sorolnak fel, a konkrét módszer megválasztását a vevőre és a szállítóra bízzák. A "módszer" vagy salétromsav alapú passziváló fürdő, vagy citromsav alapú fürdő, ezek a savak eltávolítják a felszíni vasat és a rozsdát, miközben kímélik a krómot. Az egyes módszerek alatt felsorolt különféle „típusok” a savas fürdő hőmérsékletének és koncentrációjának különbségeire vonatkoznak. A nátrium-dikromát gyakran szükséges adalékanyagként a króm oxidálásához bizonyos „típusú” salétromalapú savfürdőkben, azonban ez a vegyi anyag nagyon mérgező. Citromsavval a felület passziválására egyszerűen öblítse le és szárítsa meg az alkatrészt, és hagyja, hogy a levegő oxidálja, vagy bizonyos esetekben más vegyi anyagokat alkalmazzon.
Nem ritka, hogy egyes repülőgépgyártók további irányelveket és előírásokat alkalmaznak termékeik passiválásakor, amelyek meghaladják a nemzeti szabványt. Ezeket a követelményeket gyakran lecsökkentik a Nadcap vagy más akkreditációs rendszer használatával. Különböző vizsgálati módszerek állnak rendelkezésre a rozsdamentes acél passzivációjának (vagy passzív állapotának) meghatározására. Az alkatrészek passzivitásának érvényesítésének leggyakoribb módszerei a magas páratartalom és a hő bizonyos időtartamú kombinációja, amelynek célja a rozsdásodás. Elektrokémiai teszterek is használhatók a passzivitás kereskedelmi ellenőrzésére.
Titán
A titán eloxálható, hogy titán -oxid passziváló réteget hozzon létre . Mint sok más fém esetében, ez a réteg is vékonyréteg-interferenciát okoz, amely a fémfelületet színezetté teszi, és a passziváló réteg vastagsága közvetlenül befolyásolja a képződött színt.
Nikkel
A nikkel az elemi fluor kezelésére használható , mivel nikkel -fluorid passziváló réteg képződik . Ez a tény hasznos a víz- és szennyvíztisztítási alkalmazásokban.
Szilícium
A mikroelektronika és a fotovoltaikus rendszerek területén a felszíni passzivációt általában szilícium -dioxid bevonattá történő oxidációval hajtják végre . A passziváció hatása a napelemek hatékonyságára 3-7%között mozog. A passziválást 1000 ° C -on termikus oxidáció végzi. A felületi ellenállás magas,> 100 Ωcm.
Lásd még
Hivatkozások
További irodalom
- ASTM (2010. március 1.), ASTM A967: Szabványos előírás rozsdamentes acél alkatrészek kémiai passzivációs kezeléséhez (Rev 05e2, szerk.), Doi : 10.1520/A0967-05E02 . A rozsdamentes acél alkatrészek passziválásának leggyakoribb kereskedelmi specifikációja. Különféle iparágakban használják; a legújabb verzió aktív az új tervek esetében; a régebbi tervekhez még szükség lehet régebbi felülvizsgálatokra vagy régebbi szabványokra, ha a mérnököt nem vizsgálták felül.CS1 maint: utóirat ( link )
- SAE (2011. július 8.), AMS 2700: Korrózióálló acélok passziválása. (Rev D szerk.). Az AMS specifikációkat gyakran használják a repülőgépiparban, és néha szigorúbbak, mint más szabványok. A legújabb verzió aktív az új tervek esetében; a régebbi tervekhez még szükség lehet régebbi felülvizsgálatokra vagy régebbi szabványokra, ha a mérnököt nem vizsgálták felül.CS1 maint: utóirat ( link )
- SAE (2005. február 16.), AMS QQ-P-35: Passzivációs kezelések korrózióálló acélhoz (Rev A szerk.). Az AMS-QQ-P-35 1997. április 4-én felváltotta az Egyesült Államok szövetségi specifikációját, a QQ-P-35-öt. Az AMS-QQ-P-35-öt magát az AMS 2700 törölte és váltotta fel 2005 februárjában.CS1 maint: utóirat ( link )
- Amerikai kormány, QQ-P-35: Szövetségi előírás: Passzivációs kezelések korrózióálló acélhoz (Rev C szerk.). A QQ-P-35 amerikai szövetségi specifikációt 1997. április 4-én váltotta fel az AMS-QQ-P-35 a Perry-jegyzék által bevezetett átállás keretében . Mindkettő elavult; inaktívak az új tervekhez, de a régebbi tervek továbbra is megkövetelhetik azok használatát, ha a mérnököt nem vizsgálták felül.CS1 maint: utóirat ( link )
- Kromatátváltó bevonat (vegyi fólia) a MIL-DTL-5541F szabvány szerint alumínium és alumíniumötvözet alkatrészekhez
- A fekete-oxid bevonatok szabványos áttekintése a MIL-HDBK-205, Foszfát és fekete-oxid bevonat a vasfémekben című dokumentumban található . A fekete-oxid bevonatok számos jellemzője megtalálható a MIL-DTL-13924 (korábban MIL-C-13924) dokumentumban. Ez a Mil-Spec dokumentum ezenkívül azonosítja a fekete-oxid bevonatok különböző osztályait, amelyeket különféle célokra használnak a vasfémek rozsda elleni védelmére.
- Budinski, Kenneth G. (1988), Surface Engineering for Wear Resistance , Englewood Cliffs, New Jersey : Prentice Hall, p. 48.
- Brimi, Marjorie A. (1965), Electrofinishing , New York, New York : American Elsevier Publishing Company, Inc, 62–63.
- Bockris, John O'M .; Reddy, Amulya KN (1977), Modern elektrokémia: Bevezetés egy interdiszciplináris területbe , 2 , Plenum Press, ISBN 0-306-25002-0.
- Passziválás: Vita a fájdalmasságról http://www.coilworld.com/5-6_12/rlw3.htm