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En nuestra serie de materiales Spot on, hasta ahora hemos presentado materiales sólidos y tangibles, como el níquel o el titanio. Esta vez, nos enfocamos en una "entidad" (griego antiguo: plasma) sin la cual las soluciones modernas de superficie serían inconcebibles.
El plasma es el "cuarto estado de la materia" después de sólido, líquido y gas. Ocurre cuando a un gas se le suministra energía adicional en forma de calor. Las altas temperaturas hacen que los electrones se desprendan de la estructura atómica, lo que crea una mezcla de partículas libres: iones cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Cuantos más de estos, estén presentes en el plasma, más "ionizado" es. El grado de ionización del plasma puede oscilar entre el 1 y el 100%.
En la vida cotidiana, rara vez observamos plasmas, pero este estado de la materia es muy común en todo el universo. Nuestro sol, que tiene millones de grados de calor en su núcleo, está formado por plasma, como la mayoría de las estrellas. Las nebulosas gaseosas y el espacio interestelar también están compuestos en gran parte por esta entidad. El plasma ocurre naturalmente en la Tierra, y cuando lo hace, ¡es espectacular! Por ejemplo, las auroras boreales y los rayos del rayo están hechos de plasma: con temperaturas de hasta 30.000 ° C, los rayos pueden calentar localmente la atmósfera de la Tierra hasta tal punto que los átomos se dividen, y vemos el plasma resultante como un destello brillante de luz.
Al igual que los otros estados de la materia, la humanidad ha aprovechado el plasma y su poder para una serie de usos técnicos. Pero, para poder utilizarlo para estos fines, el plasma debe generarse artificialmente. La energía requerida para esto generalmente es suministrada por un gas cargado eléctricamente o por fuertes rayos láser.
Los plasmas tienen naturalezas muy diferentes pero tienen esto en común: son conductores de electricidad y pueden ser influenciados magnéticamente. Con sus diferentes características, se pueden utilizar para muchos desarrollos y procesos, incluso en lámparas fluorescentes de bajo consumo, en pantallas de plasma, para desinfectar instrumentos médicos e incluso para la fusión nuclear en reactores.
Oerlikon Balzers y Oerlikon Metco utilizan plasma para el recubrimiento de superficies. “Hablando científicamente, estamos tratando con lo mismo: la investigación del plasma. Pero cuando se trata de aplicaciones, estamos trabajando en los dos extremos del espectro del plasma”, coinciden los científicos de materiales Alessandro Zedda (Oerlikon Balzers) y Alexander Barth (Oerlikon Metco).
En la mayoría de los procesos de pulverización térmica, el trabajo se realiza a presión atmosférica normal. La materia prima del recubrimiento, en forma de partículas de polvo, está generalmente en el intervalo de tamaño de 10 a 100 micrómetros. Este se funde en un chorro de plasma estrecho (de 6 a 10 mm de diámetro) y se pulveriza sobre la superficie a recubrir. La temperatura del plasma puede alcanzar hasta 20.000 ° C, ¡lo que equivale a la temperatura de la superficie de nuestro sol! Esto permite fundir cualquier material. Al equilibrar con precisión las propiedades del plasma y el material, las partículas se llevan a su temperatura y velocidad ideales para lograr un resultado de recubrimiento óptimo.
El generador de plasma consta de una boquilla estrecha, o ánodo, a través del cual fluye el gas de manera continua, y un electrodo o cátodo que está ubicado concéntricamente dentro de la boquilla. La boquilla cargada positivamente y el electrodo cargado negativamente, forman un par eléctrico, ionizando así el gas que fluye y convirtiéndolo en plasma. El material de la materia prima de recubrimiento se inyecta luego en el plasma, donde se funde y se impulsa a la superficie a recubrir.
“El plasma es muy eficiente para generar este calor elevado porque toda la energía eléctrica se convierte en calor. Cooperamos con socios y universidades en la investigación del recubrimiento de plasma, y los hallazgos se incorporan a los nuevos productos de Oerlikon Metco de forma continua”, explica Alexander Barth.
Para recubrimientos PVD ultrafinos de alta calidad, el plasma se genera evaporando átomos del objetivo metálico. Luego, los iones se forman separando los electrones de los átomos. Estos iones son atraídos hacia el sustrato a recubrir (puede ser un componente o una herramienta) mediante la aplicación de un voltaje eléctrico. Golpean el sustrato con alta energía, se difunden en su superficie y se combinan entre sí para formar una capa delgada y densa. Para evitar que choquen con las moléculas de aire durante su "viaje", se crea un alto vacío.
La generación de plasma requiere una gran cantidad de energía, en forma de alto voltaje de hasta varios cientos de voltios. La calidad del recubrimiento depende no solo de la elección del material objetivo, sino también del voltaje y la energía del plasma. “El diseño de fuentes de plasma es muy importante para la calidad de los recubrimientos resultantes. Por eso, en Oerlikon Balzers, nos dedicamos a la investigación constante para mejorar tanto las fuentes de plasma como los recubrimientos resultantes”, explica Alessandro Zedda.
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