[1] Hamaker HC. Formation of deposition by electrophoresis. Trans Farad Soc 1940; 36:279–83.
[2]
Heavens N. Electrophoretic deposition as a processing route for
ceramics. In: Binner GP, editor. Advanced ceramic processing and
technology, vol. 1. Park Ridge (NJ), USA: Noyes Publications; 1990. p.
255–83 [chapter 7].
[3]
Zhitomirsky I. Cathodic electrophoretic deposition of ceramic and
organoceramic materials – fundamental aspects. Adv Colloid Interface
Sci 2002;97:279–317.
[4]
Sato N, Kawachi M, Noto K, Yoshimoto N, Yoshizawa M. Effect of particle
size reduction on crack formation in electrophoretically deposited YBCO
films. Physica C 2001;357–360:1019–22.
[5]
Sarkar P, Nicholson PS. Electrophoretic deposition (EPD): mechanisms,
kinetics and application to ceramics. J Am Ceram Soc
1996;79(8):1987–2002.
[6] Troelstra SA. Applying coatings by electrophoresis. Philips Tech Rev 1951;12:293–303.
[7]
Hasegawa K, Kunugi S, Tatsumisago M, Minami T. Preparation of thick
films by electrophoretic deposition using modified silica particles
derived by sol–gel method. J Sol–gel Sci Technol 1999;15:243–9.
[8]
Shan W, Zhang Y, Yang W, Ke C, Gao Z, Ke Y, et al. Electrophoretic
deposition of nano-size zeolites in non-aqueous medium and its
application in fabricating thin zeolite membranes. Micropor Mesopor
Mater 2004;69:35–42.
[9]
Wei M, Ruys AJ, Milthorpe BK, Sorrell CC, Evans JH. Electrophoretic
deposition of hydroxyapatite coatings on metal substrate: a
nano-particulate dual coating approach. J Sol–gel Sci Technol
2001;21:39–48.
[10]
Sridhar TM, Mudali UK. Development of bioactive hydroxyapatite coatings
on Type 316L stainless steel by electrophoretic deposition for
orthopaedic applications. Trans Ind Inst Met 2003;56(3):221–30.
[11]
Yum J-H, Seo S-Y, Lee S, Sung Y-E. Y3Al5O12: Ce0.05 phosphor coating on
gallium nitride for white light emitting diodes. J Electrochem Soc
2003;150(2):H47–52.
[12]
Shane MJ, Talbot JB, Kinney BG, Sluzky E, Hesse HR. Electrophoretic
deposition of phosphors: II deposition experiments and analysis. J
Colloid Interface Sci 1994;165:334–40.
[13]
Shane MJ, Talbot JB, Schreiber RG, Ross CL, Sluzky E, Hesse KR.
Electrophoretic deposition of phosphors: I conductivity and zeta
potential measurements. J Colloid Interface Sci 1994;165:325–33.
[14]
Ochsenkuehn-Petropoulou MT, Altzoumailis AF, Argyropoulou R,
Ochsenkuehn KM. Superconducting coatings of MgB2 prepared by
electrophoretic deposition. Anal Bioanal Chem 2004;379:792–5.
[15]
Sarka P, Mathur S, Nicholson PS, Stager CV. Fabrication of textured
Bi–Sr–Ca–Cu–O thick film by electrophoretic deposition. J Appl Phys
1991;69(3):1775–7.
[16]
Hayashi K, Furuya N. Preparation of gas diffusion electrodes by
electrophoretic deposition. J Electrochem Soc 2004;151(3):A354–7.
[17]
Dougami N, Takada T. Modification of metal oxide semiconductor gas
sensor by electrophoretic deposition. Sens Actuators B 2003;93:316–20.
[18]
Yamashita K, Yonehara E, Ding X, Nagai M, Umegaki T, Matsuda M.
Electrophoretic coating of multilayered apatite composite on alumina
ceramics. HA coating on alumina ceramics. John Wiley and sons, Inc.;
1998. p. 46–53.
[19]
Boccaccini AR, Kern H, Krueger HG, Trusty PA, Taplin DMR.
Electrophoretic deposition of nanoceramic particles onto electrically
conducting fibre fabrics. In: Proceedings of the 43rd international
scientific colloquium. Technical University of Ilmenau, September
21–24, 1998; p. 630–5.
[20] Limmer SJ, Cao G. Sol–gel electrophoretic deposition for the growth of oxide nanorods. Adv Mater 2003;15(5):427–31.
[21]
Du C, Heldbrant D, Pan N. Preparation and preliminary property study of
carbon nanotubes films by electrophoretic deposition. Mater Lett
2002;57:434–8.
[22]
Put S, Vleugels J, Anne G, Van der Biest O. Functionally graded ceramic
and ceramic-metal composites shaped by electrophoretic deposition.
Colloids Surf A: Physicochem Eng Aspects 2003;222:223–32.
[23]
Sarkar P, Datta S, Nicholson PS. Functionally graded ceramic/ceramic
and metal/ceramic composites by electrophoretic deposition. Composites
Part B 1997;28B:49–54.
[24]
Ferrari B, Sanchez-Herencia AJ, Moreno R. Electrophoretic forming of
Al2O3/Y-TZP layered ceramics form aqueous suspension. Mater Res Bull
1998;33(3):487–99.
[25]
Maiti HS, Datta S, Basu RN. High Tc superconductor coating on metal
substrates by an electrophoretic technique. J Am Ceram Soc
1989;72(9):1733–5.
[26]
Yau SKF, Sorrel CC. High-Jc (Bi,Pb)2Sr2Ca2CuO10+x tapes fabricated by
electrophoretic deposition. Physica C 1997;282–287:2563–4.
[27] Van Tassel J, Randall CA. Electrophoretic deposition and sintering of thin/thick PZT film. J Eur Ceram Soc 1999;19:955–8.
[28]
Avgustinik AI, Vigdergauz VS, Zharavlev GI. Electrophoretic deposition
of ceramic masses from suspension and calculation of deposit yields. J
Appl Chem USSR (English Translation) 1962;35(10): 2175–80.
[29] Biesheuvel PM, Verweij H. Theory of cast formation in electrophoretic deposition. J Am Ceram Soc 1999; 82(6):1451–5
[30]
Ishihara T, Shimise K, Kudo T, Nishiguchi H, Akbay T, Takita Y.
Preparation of Yttria-stabilised zirconia thin-films on strontium doped
LaMnO3 cathode substrate via electrophoretic deposition for solid oxide
fuel cells. J Am Ceram Soc 2000;83(8):1921–7.
[31]
Chen F, Liu M. Preparation of yttria-stabilised zirconia (YSZ) films on
La0.85Sr0.15MnO3 (LSM) and LSM–YSZ substrate using an electrophoretic
deposition (EPD) process. J Eur Ceram Soc 2001;21:127–34.
[32] Powers RW. The electrophoretic forming of beta-alumina ceramic. J Electrochem Soc 1975;122:482–6.
[33]
Negishi H, Yanagishita H, Yokokawa H. Electrophoretic deposition of
solid oxide fuel cell material powders. In: Proceedings of the
electrochemical society on electrophoretic deposition: fundamentals and
applications, vol. 2002-21, Pennington, USA, 2002. p. 214–21.
[34] Ferrari B, Moreno R. The conductivity of aqueous Al2O3 slips for electrophoretic deposition. Mater Lett 1996;28:353–5.
[35] Ferrari B, Moreno R. Electrophoretic deposition of aqueous alumina slip. J Eur Ceram Soc 1997;17: 549–56.
[36]
Krueger HG, Knote A, Schindler U, Kern H, Boccaccini A. Composite
ceramic metal coatings by means of combined electrophoretic deposition.
J Mater Sci 2004;39:839–44.
[37]
Zarbov M, Schuster I, Gal-Or L. Methodology for selection of charging
agents for electrophoretic deposition of ceramic particles. In:
Proceedings of the international symposium on electrophoretic
deposition: fundamentals and applications. The Electrochemical Society
Inc, USA, Proc. vol. 2002-21, 2002. p. 39–46.
[38] Chen C-Y, Chen S-Y, Liu D-M. Electrophoretic deposition forming of porous alumina membranes. Acta Mater 1999;47(9):2717–26.
[39]
Wang G, Sarkar P, Nicholson PS. Influence of acidity on the
electrostatic stability of alumina suspensions in ethanol. J Am Ceram
Soc 1997;80(4):965–72.
[40] Brown DR, Salt FW. The mechanism of electrophoretic deposition. J Appl Chem 1965;15:40–8.
[41]
Basu RN, Randall CA, Mayo MJ. Fabrication of dense zirconia electrolyte
films for tubular solid oxide fuel cells by electrophoretic deposition.
J Am Ceram Soc 2001;84(1):33–40.
[42]
Wang Y-C, Leu I-Chi, Hon M-H. Kinetics of electrophoretic deposition
for nanocrystalline zinc oxide coatings. J Am Ceram Soc
2004;87(1):84–8.
[43] Zhitomirsky I, Gal-or L. Electrophoretic deposition of hydroxyapatite. J Mater Sci: Mater Med 1997;8: 213–9.
[44]
Vandeperre L, Van Der Biest O, Clegg WJ. Silicon carbide laminates with
carbon interlayers by electrophoretic deposition. Key Eng Mater (Pt. 1,
Ceramic and Metal Matrix Composites) 1997;127–131: 567–73.
3. 1. 6. پایداری سوسپانسیون
3. 2. پارامترهای مربوط به فرآیند
3. 2. 1. اثر زمان نشست
3. 2. 2. ولتاژ اعمالی
3. 2. 3. غلظت جامد در سوسپانسیون
3. 2. 4. هدایت الکتریکی زیرلایه
سینتیک
نشست الکتروفورتیک و کیفیت لایه نشست به پارامترهای بسیاری بستگی دارد. و
برای تشکیل لایه ای با کیفیت بالا باید کنترل دقیقی بر هر کدام از این
پارامترها در طول فرآیند نشست الکتروفورتیک داشت. اما بسیاری از این
پارامترها به پارامترهای دیگر وابستگی ذاتی دارند. کیفیت لایه نشست حاصل
از
EPD
به شدت به شرایط سوسپانسیون وابسته است و سوسپانسیون پایدار و خوب پخش شده نشست بسیار بهتری را در طول
EPD
در مقایسه با سوسپانسیون ناپایدار و اگلومره شده می دهد.
3. فاکتور های موثر در
EPD
دو گروه از متغییرها تعیین کننده مشخصات این فرآیند می باشند:
1. متغیرهای مربوط به سوسپانسیون
2. متغیرهای مربوط به فرآیند
روابط ریاضی مختلفی برای مرتبط کردن مقدار ذرات نشست داده شده در طول
EPD
با متغییرهایی مانند ولتاژ، موبیلیته الکتروفورتیک، مساحت سطحی الکترود،
غلظت جرم ذره، ویسکوزیته و.... توسط دانشمندانی مانند Hamaker، Avgustnik،
Biesheuval، Ishihara، Liu، Chen و... بدست آمده است. (به منابع 1، 28،
29، 30، 31، 32، 36، 38، 42، 45 مراجعه شود)
حاصل آخرین تحقیقات معادله زیر است که توسط
Ishihara
[30]
و همکارانش حاصل شده است:
3. 1. پارامترهای مربوط به سوسپانسیون :
3. 1. 1. اندازه ذره
در سیستم های سرامیکی و رسی بهترین
نشست در رنج اندازه
1-20?m
مشاهده شده است.
[2]
اخیرا تکنیک
EPD
برای ساخت نانوذرات نیز مورد توجه قرار گرفته است. مهمترین نکته در مورد
ذرات، پخش کامل آنها در مایع است که برای تشکیل نشست صاف و هموژن ضروری
است. در صورتی که ذرات بزرگتر باشند، مشکل تمایل به نشست در اثر نیروی
وزنشان وجود دارد. در حالت ایده آل باید موبیلیته ذرات در اثر
الکتروفورتیک بیشتر از موبیلیته در اثر شتاب گرانش زمین باشد.
اندازه ذره اثرمهمی بر کنترل ترک خوردن لایه ایجاد شده در هنگام خشک شدن نیز دارد.
Sato
اثر کاهش اندازه ذره
YBCO
را بر تشکیل ترک بررسی کرد، که نتایج در شکل 2 نشان داده شده است.
[4]
ایجاد ترک درفیلم های نشست داده شده از سوسپانسیون با اندازه ذره کوچکتر از
0.06?m
بسیار کمتر از اندازه ذره
3 ?m
است. بنابراین کاهش اندازه ذره تکنیک مفیدی برای کاهش ترک خوردن لایه نشست می باشد.
شکل 2. تصاویر
SEM
فیلم
YBCO
که به روش الکتروفورتیک بر الکترود نقره از سوسپانسیون آن در استون با ولتاژ
10V
برای
180s
نشست داده شده است.
(a
اندازه متوسط ذره
3 ?m
و
(b
اندازه متوسط ذره
0.06?m
.فیلمها در
945?C
برای 1 ساعت زینتر و در
500?C
برای 6 ساعت آنیل شدند.
[4]
3. 1. 2. ثابت دی الکتریک مایع
ثابت
دی الکتریک مایع اثر دوگانه ای بر نشست نشان می دهد. در ثابت دی الکتریک
بسیار کم، نشست به دلیل قدرت انحلال ناکافی انجام نمی شود و در ثابت دی
الکتریک بالا، غلظت یونی بالایی در مایع در ضخامت لایه مضاعف ایجاد می شود
و در نتیجه موبیلیته الکتروفورتیک کاهش می یابد.
[32]
ثابت
دی الکتریک عموما حاصلضرب ثابت دی الکتریک نسبی و خلاء می باشد. ثابت دی
الکتریک نسبی و ویسکوزیته برخی حلالها در جدول 2 آمده است.
[33]
جدول 2. خواص فیزیکی حلالها
[33]
3. 1. 3. هدایت الکتریکی سوسپانسیون
3. 1. 4. ویسکوزیته سوسپانسیون
3. 1. 5. پتانسیل زتا
پتانسیل
زتای ذرات فاکتور اصلی در فرآیند نشست الکتروفورتیک است. در این حالت حصول
به بار سطحی یکنواخت و بالا بر سطح ذرات معلق در سوسپانسیون ضروری است.
این
پتانسیل 1) بر پایداری سوسپانسیون که در اثر برهم کنش جاذبه یا دافعه بین
ذرات ایجاد می شود، 2) تعیین جهت و سرعت مهاجرت ذرات در هنگام
EPD
و 3) تعیین دانسیته خام لایه نشست به شدت موثر است. دو نیروی وان دروالس و
الکترواستاتیک بر برهم کنش ذرات سوسپانسیون موثر هستند. و احتمال اگلومره
شدن سیستم به انرژی بر هم کنش این نیروها بستگی دارد.
[45]
در
هنگام تشکیل نشست، ذرات به هم نزدیک می شوند و نیروی جاذبه افزایش می
یابد، اگر بار ذره کم باشد، فاصله بین ذرات نسبتا زیاد خواهد بود که باعث
ایجاد نشست اسفنجی و متخلخل می شود. برعکس اگر ذرات بار سطحی بالایی داشته
باشند، در هنگام قرار گرفتن همدیگر را دفع می کنند که باعث دانسیته بالا
می گردد.
[36]
بنابراین کنترل مقدار جامد و غلظت حلال ها وافزودنی ها سوسپانسیون
EPD
برای رسیدن به حداکثر دانسیته نشست ممکن، بسیار مهم است.
[37]
پتانسیل
زتا می تواند توسط انواع عاملهای باردار کننده مانند اسیدها، بازها و
یونها با جذب ترجیحی یا پلی الکترولیت ها در سوسپانسیون کنترل شود. اثر
افزودنی را می توان توسط اثر آن بر هدایت الکتریکی یونی سوسپانسیون نشان
داد. هدایت الکتریکی یونی افت پتانسیل را در حجم سوسپانسیون تعیین می کند
و باعث ایجاد نیروی رانشی برای انتقال ذرات به الکترود می شود.
[40]
مروری بر تکنیک نشست الکتروفورتیک و پارامترهای موثر بر آن
ar.tayefeh@gmail.com
1. مقدمه
تکنیک نشست الکتروفورتیک
(EPD)
دارای کاربردهای فراوان و جدیدی در ساخت مواد سرامیکی پیشرفته و پوششها
است، و در صنعت و تحقیقات دانشگاهی مورد توجه قرار گرفته است. دو دلیل
اصلی برای پیشرفت
EPD
، قابلیت استفاده از مواد و ترکیبات مختلف و نیز هزینه پایین مورد نیاز برای ساخت تجهیزات و ابزار آن است.
نشست الکتروفورتیک در 1808 توسط دانشمند روسی به نام
Ruess
با حرکت ذرات رس در آّب در اثر میدان الکتریکی مشاهده شد. اما اولین علمی
از آن در سال 1933 با نشست ذرات توریا بر کاتد پلاتینیم به عنوان گسیلنده
در تیوب الکترونی انجام شد.این پدیده در سالهای 1980 توسط Hamaker
[1]
در مورد سرامیکها مورد بررسی قرار گرفت و مسیر حرکت آن به سمت شکل دهی سرامیکهای پیشرفته و لایه های نازک تغییر یافت.
2. تعریف نشست الکتروفورتیک
نشت الکتروفورتیک (
EPD
)
یکی از فرآیندهای کلوییدی در تولید سرامیکها است که مزایای از قبیل زمان
کوتاه نشست، نیاز به تجهیزات ساده، تنوع در شکل زیرپایه، عدم نیاز به چسب
و... را دارد.
در مقایسه با سایر روشهای شکل دهی پیشرفته، فرآیند
EPD
بسیار
گوناگون بوده و به آسانی می توانند برای کاربردهای خاص اصلاح شود. برای
مثال نشست می تواند به صورت مسطح، استوانه ای یا سایر اشکال توسط اندکی
تغییر در محل و طراحی الکترودها حاصل شود، به ویژه در هنگام استفاده از
فرآیند تر در
EPD
، به آسانی می توان ضخامت و مورفولوژی فیلم نشست داده شده را از طریق تنظیم زمان نشست و پتانسیل اعمالی کنترل نمود. در
EPD
، ذرات پودری باردار شده که در هنگام اعمال میدان الکتریکی
DC
می نشیند.
[2]
دو نوع نشست الکتروفورتیک بسته به تشکیل
نشست بر سطح دو الکترود، کاتد و آند وجود دارد که به ترتیب نشست الکتروفورتیکی کاتدی و آندی نامیده می شود.
[3, 4, 5]
شکل 1. تصویر شماتیکی از فرآیند نشست الکتروفورتیک.
a
)
EPD
کاتدی و
b
)
EPD
آندی
برخی
از کاربردهای جدید که باعث توجه و علاقه روزافزون به این تکنیک شده است،
علاوه بر کاربرهای سنتی مانند ساخت مقاومت سیمی وپوشش های سرامیکی ضد
اکسید شدن، عبارتند از : ساخت فیلم های عملگر برای وسایل میکروالکترونیک
پیشرفته
[7]
، پیل سوختی اکسید جامد، کامپوزیتهای جدید با پوشش های بیوفعال برای ایمپلنت های پزشکی
[9, 10]
، ساخت مواد عملگر در مقیاس نانو
[12,13]
، ممبران زئولیت نانو سایز
[8]
، فیلم های فوق رسانایی با
TC
بالا
[14, 15]
، سنسورها
[16]
، الکترودهای نفوذ گاز
[17, 18]
، کامپوزیت های چندلایه
[18]
، کامپوزیت های زمینه سرامیکی و شیشه ای توسط فیلتر شدن ذرات سرامیکی بر پارچه های فیبری
[19]
، نانو میله های اکسیدی
[20]
، فیلم نانوتیوب کربنی
[21, 22]
، سرامیکهای لایه دار
[23, 24]
، فوق رساناها
[25]
، مواد پیزوالکتریک
[26]
و.....
