Entendimento químico da adesão de filmes de carbono amorfo em ligas ferrosas por meio de intercamadas contendo silício

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Boeira, Carla Daniela
• Orientador(a): Figueroa, Carlos Alejandro
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng; por
• Palavras-chave em Português: Ciência dos materiais; Ligações químicas; Filmes finos de diamantes; Carbono - Aplicações industriais; Adesão; Silício
• Palavras-chave em Inglês: Materials science; Chemical bonds; Diamond thin films; Carbon - Industrial applications; Adhesion; Silicon
• Link de acesso: https://repositorio.ucs.br/11338/8563

Filmes de carbono tipo diamante (DLC), mesmo com pesquisas sendo desenvolvidas ao longo de quatro décadas, possuem uso industrial restrito e impedem a aplicação massiva nos últimos anos devido à baixa adesão deste material em ligas ferrosas. A baixa adesão desses filmes é interpretada por mecanismos físicos e químicos distintos que contribuem para o processo de delaminação. Os mecanismos físicos referem-se a tensões residuais internas causadas pelo bombardeamento de íons e átomos durante o processo de deposição e, também, à diferença de coeficientes de expansão térmica do filme e substrato. Enquanto nos mecanismos químicos envolvem a afinidade química entre substrato e filme, o uso de intercamadas contendo silício melhora a adesão de filmes de carbono amorfo, pois reduz a diferença dos coeficientes de expansão térmica entre substrato e filme e auxiliam nas ligações químicas presentes nas interfaces filme/intercamada/substrato. Ligações químicas que promovem adesão como C-C e Si-C podem ser obtidas com a utilização destas intercamadas, mas um melhor entendimento da química da interface destes sistemas, levando em consideração a influência de elementos residuais como oxigênio na região se faz necessário. Elementos contaminantes, provenientes do precursor utilizado no processo de deposição da intercamada, ou até mesmo residual atmosférico do sistema de vácuo da câmara, como o oxigênio, podem reduzir esta afinidade química e consequentemente a adesão buscada. Estudos mostram resultados positivos para adesão em temperaturas acima de 300 °C, onde o oxigênio terminante de ligações é dessorvido, porém elevadas temperaturas podem inviabilizar a aplicação industrial destes filmes. Outros parâmetros de deposição destas intercamadas como tempo de deposição, tensões de polarização ou mesmo tratamento químico com auxílio de plasma podem também diminuir à presença de elementos como o oxigênio e otimizar, portanto, as temperaturas de deposição maiores ou igual a 85 °C. Neste estudo, dois diferentes sistema modelo foram propostos de modo a analisar a influência da estrutura química da intercamada contendo silício na adesão de filmes de carbono amorfo. Os diferentes sistemas modelam a influência do tratamento a plasma de nitrogênio em intercamada contendo silício e a influência da pressão de base em intercamadas de silício puro, visando a adesão dos filmes de carbono amorfo hidrogenado em ligas ferrosas. A microestrutura e a química dos sistemas filme/intercamada/substrato foram analisadas e, posteriormente, correlacionadas à adesão. As estruturas dos filmes de carbono amorfo foram analisadas por espectroscopia Raman. A composição química e ligações dos sistemas propostos contaram com investigações por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GD-OES), por espectroscopia por transformada de Fourier (FTIR) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). A adesão dos filmes foi avaliada através de testes regidos por normas internacionais, como Scotch test, Mercedes test e testes de esclerometria linear. Os sistemas estudados apontaram a melhor adesão dos filmes de carbono em sistemas onde foi verificada a menor presença de oxigênio nas interfaces da intercamada para ambos os modelos, o que concorda com trabalhos anteriores. O oxigênio, portanto, trata-se do principal elemento prejudicial à adesão. Foi proposto um modelo físico-químico que correlaciona à adesão a quantidade de oxigênio presente na deposição. Este modelo pode ser utilizado para adesão de filmes de carbono amorfo otimizando aplicações em processos industriais. [resumo fornecido pelo autor]