13. DERS ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ ELEKTROLİZE KAPLAMA, VAKUM VE BUHARLA KAPLAMA, YALITKAN KAPLAMA

Transkript

1 13. DERS ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ ELEKTROLİZE KAPLAMA, VAKUM VE BUHARLA KAPLAMA, YALITKAN KAPLAMA

2

3 ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ II DERS 13 ELEKTROLİZE KAPLAMA, VAKUM VE BUHARLA KAPLAMA, YALITKAN KAPLAMA İÇİNDEKİLER KONU SAYFA NO: YALITKANLARI KAPLAMA,YALITKANLAR NEDEN KAPLANIR? 1-6 KARŞILAŞILAN EN BÜYÜK SORUN 2 ADEZYON VE KOHEZYON 2 İLK METAL TABAKASI 6 GAZ HALDEN METAL ÇÖKELTME 7-15 VAKUM KAPLAMA 7-12 SPUTTERING (ATOM SÖKME) YÖNTEMİ İLE KAPLAMA BUHARLA KAPLAMA ELEKTROLİZE KAPLAMA METAL ATOMLARININ ÇÖKELTİLMESİ KATALİZ 17 ELEKTROLİZE KAPLAMADA KATALİZ 17 HOMOJEN KRİSTALLEŞME 18 HETEROJEN KRİSTALLEŞME OTO-KATALİZÖR BİR ELEKTROLİZ BANYOSUNDA NELER BULUNUR ELEKTROLİZE KAPLAMA SÜRECİ NE GEREKTİRİR? 23 ELEKTROLİZE NİKEL 23 ASİDİK ELEKTROLİZE NİKEL 23 ALKALİ ELEKTROLİZE NİKEL ELEKTROLİZE NİKEL BANYOSUNUN KİMYASAL KONTROLÜ İMALAT TAVSİYELERİ ELEKTROLİZE NİKEL KAPLAMADA HATA GİDERME ELEKTROLİZE BAKIR BANYOSU ELEKTROLİZE BAKIR REÇETELERİ ÇALIŞTIRMA TAVSİYELERİ ELEKTROLİZE GÜMÜŞ ELEKTROLİZE GÜMÜŞ REÇETELERİ SPREY/AEROSOL KAPLAMA PÜSKÜRTME METAL KAPLAMALAR PLASTİK ÜZERİNE KAPLAMA ABS PLASTİK ÜZERİNE KAPLAMA SÜRECİN ÇALIŞTIRILMASI 46-47

4 ELEKTROMETAL KAPLAMA TEKNİĞİ II DERS 13 ELEKTROLİZE KAPLAMA, VAKUM VE BUHARLA KAPLAMA, YALITKAN KAPLAMA İÇİNDEKİLER KONU SAYFA NO: KÜÇÜK PLASTİK PARÇALARIN KAPLANMASI ALTERNATİF YÖNTEMLER PARÇACIK ŞEKLİ 53 PARÇACIK İLETKENLİĞİ BEBEK AYAKKABILARINI METALİZE ETME İLETKEN KAPLAMA TEKNİKLERİ ÇİÇEK VE YAPRAKLARIN METALİZE EDİLMESİ YÜZEY HAZIRLAMA TEKNİKLERİ YALITKAN KAPLAMA TEKNİKLERİ HAYVANSAL MADDELERİ METALİZE ETME 69 ÇEŞİTLİ MALZEMELERİ METALİZE ETME KAYNAKÇA DERS 13 SINAV 75

5 EKT-13-1 YALITKANLARI KAPLAMA Umarım 12. dersteki sınavı çok zor bulmamışsınızdır! Şimdi, metal kaplamanın başka bir alanı olan yalıtkanların kaplanması konusunu ele alacağız. Bu konuyla bağlantılı olarak, yalıtkan yüzeyler üzerine iletken metalik filmler kaplanması hakkında bazı ilgi çekici teknikler üzerinde de duracağız. Bu tekniklerin bazıları o kadar geniş içerikli ve iyi geliştirilmiştir ki, başlı başına özel bir ilgi alanıdır. Bu alanları daha detaylı olarak incelemek isterseniz ders sonunda verilen kaynakçalardan yararlanabilirsiniz. Burada asıl amacımız verilen filmleri başarılı biçimde, gerektiği zaman, gerektiği yerlerde üretebilmenizi sağlayacak teknikler hakkında yeterli altyapı bilgisini vermektir. YALITKANLAR NEDEN KAPLANIR? Derse bu soru ile başlıyoruz çünkü plastik maddeleri kaplamanın ne gibi yararları olduğunu merak etmiş olabilirsiniz. Bir takım avantajları vardır: 1. METALİ KORUMAYA YARDIMCI OLUR. Bugün malzemelerin, özellikle de metallerin, korunması çok önemlidir ve zaman geçtikçe bu konu daha da önem kazanacaktır. Ne yazık ki doğal kaynaklar tükenmektedir. Doğal kaynakları koruyan ve aynı zamanda fiyatları aşağıda tutan her şey çok değerlidir. 2. YUMUŞAK MALZEMENİN ÜZERİNDE SERT BİR YÜZEY OLUŞTURUR. Çoğu durumda plastiğin hafif bir madde oluşu büyük bir avantaj sağlar. Yeni çeşitleri daha güçlü, ve bazıları diğerlerine nazaran ısıya daha dayanıklıdır, ama hepsinin de ortak özelliği sert olmayışlarıdır. Dolayısıyla plastik yüzeylerin kaplanması iyi bir fikir gibi görünmektedir ve pek çok durumda öyledir. 3. GÜZEL,METALİK BİR GÖRÜNTÜ SAĞLAR Pek çok kereler gösterilmiştir ki parlak ya da satine görünümlü metalik yüzeyler ürünün satılabilirliğini oldukca arttırmaktadır.

6 EKT-13-2 İnsanlar metalin parlaklığından hoşlanırlar. Bir şekilde parlaklık ürünü daha sağlam, daha güvenilir göstermektedir. Bu üçü, plastik üzerine kaplama yapmak istenmesinin temel gerekçeleridir. Tabii ki bunlardan başka sebepler de olabilir ancak hepsi de sonuçta bu üçü ile ilişkilidir. KARŞILAŞILAN EN BÜYÜK SORUN Yalıtkanları kaplarken asıl meselenin ilk yapışkan metal kaplama tabakasının elde edilmesi olduğunu anlamak için âlim olmanıza gerek yoktur. Eğer yalıtkan yüzey üzerinde iyi bir yapışkan metal tabakası ya da filmi elde ettiyseniz gerisi gelir. Bir kere bu şekilde bir kaplama elde ettiğinizde cismi o metalle veya gerekli olan başka bir metalle kaplayabilirsiniz. Dikkat ettiyseniz yapışma kelimesini vurguladım. Bu nokta önemli olup aşağıda açıklanacaktır. ADEZYON VE KOHEZYON Ders 1 deki BAĞ YAPMA konusunu hatırlıyor musunuz? Hafızanızı tazelerseniz şunu hatırlayacaksınız: Metal atomlarını (iyonlarını) bir arada tutan bir tutkal görevi gören elektron bulutu, bir metal parçasını oluşturan metal atomlarının birbirleri ile bağ yapmasını sağlar. Pozitif yüklü metal atomlarının negatif yüklü serbest metal atomlarını çekmesi metalleri bir arada tutan KOHEZYON kuvveti olarak adlandırılır. Metalin içindeki her atom uniform bir elektron bulutu ile çevrelenmiştir. Ama yüzeyde bu böyle değildir (Bkz: şekil 1). Burada metale farklı özellikler veren, bağ yapma kapasitesine sahip metal atomları bulunmaktadır. Daha önceden öğrenmiş olduğumuz enerji terimiyle ifade edecek olursak, metal yüzeyindeki atomlar diğerlerine nazaran daha yüksek serbest enerjiye sahiptir. Her zaman olduğu gibi doğa bu enerjiyi düşürmeye çalışacaktır.

7 EKT 13 3 Bunu yapmanın bir yolu, yüzey alanının hacme oranını düşürmektir. Sıvı moleküllerinin hareket kaabiliyeti daha yüksek olduğu için ve kolaylıkla akış oluşabildiğinden, sıvı en küçük yüzey alanına sahip olacak şekli kendiliğinden alır. Ders 4 te de ele aldığımız üzere, sıvı damlacıkları küre şeklini alırlar ve belli bir miktardaki madde en küçük yüzey alanına sahip olur. Ancak metal atomları bu hareket kaabiliyetine sahip değildirler ve bu yüzden onlar ne olursa olsun dış şekillerini korumak zorunda kalırlar. Bu serbest enerjiyi azaltmanın bir diğer yolu da yüzeye bağlanacak başka atomlar ya da moleküller bulmaktır. Örneğin, eğer çevrede bulunan gaz molekülleri, mesela oksijen molekülleri yüzeydeki bağ yapmamış metal atomları tarafından çekilirse, serbest yüzey enerjisini oldukça azaltan OKSİTLENME olayı meydana gelir. Ya da başka tip moleküller zayıf bağlar yapacak ve yüzeye yapışacaklardır (Van Der Waals bağları) ki bu da serbest yüzey enerjisini düşürecektir. Eğer metalin yüzeyi temizse ve aynı tür metal atomları ile kaplanırsa, yüzey atomlarının bağ yapma istekleri giderilir ve yapışkan görevini gören elektron bulutu kaplanmış tabakanın içinde serbestçe hareket edebilir. Kaplama tabakasının yüzeye yapışma kuvveti ancak metalin kendisine bağlanma kuvveti kadar olacaktır. Aslında teorik olarak, yeni bağlanan metal atomları ve metal arasındaki bağ metalin herhangi bir yerindeki bağ kadar sağlamdır. Bağ kuvveti orijinal metalin KOHEZYON kuvvetine eşittir diyebiliriz. Eğer yüzeye başka bir metal kaplanırsa aynı atomik kuvvetler yine iş başındadır ve kaplama esas metale, en az esas metal atomlarının arasındaki bağ kuvveti kadar bir kuvvetle bağlanır. Artık burada bahsedilen esas metal ile kaplama atomları arasındaki KOHEZYON kuvveti değil, esas metal atomları arasındaki ADEZYON kuvvetidir.

8 EKT 13-4 BENZER ATOMLAR ARASINDAKİ ÇEKİM KUVVETLERİ KOHEZYON KUVVETLERİ OLARAK ADLANDIRILIR. FARKLI ATOMLAR ARASINDA ÇEKİM KUVVETLERİ İSE ADEZYON KUVVETLERİ OLARAK ADLANDIRILIR. Şimdi bir plastiğin yüzeyini ele alalım (biz burada yalıtkan olarak plastikleri alacağız, burada öne sürülen düşünceler ufak düzeltmelerle tüm yalıtkanlar için uygulanabilir). Bildiğiniz gibi plastikler organik moleküllerin (monomerlerin) bir araya gelerek oluşturduğu uzun molekül zincirlerinden (polimerlerden) meydana gelir. Bu tek molekül zincirleri güçlü KOVALENT BAĞLAR # tarafından bir arada tutulurlar. Ayrıca zincirler birbirlerine iyonik bağlarla ya da daha zayıf olan VAN DER WAALS BAĞLARI ile çapraz bağlanmış olabilirler. Burada akılda tutulması gereken şey, eğer serbest elektronlar mevcut ise çok az sayıda olacağıdır. Başka bir ifadeyle, tüm elektronlar kovalent ya da iyonik bağlarla bağlanmışlardır. Şimdi plastik bir malzemenin yüzeyine ince bir metal tabakası kaplamayı denediğinizde neler olacağını göreceksiniz. İlk oluşan metal atomları tabakası kesinlikle yapışmayacaktır çünkü onların yapışmasını sağlayacak elektron bulutu yoktur. Metal atomları elektronlarını paylaşacak farklı atomlar ya da moleküller aramaya başlarlar. Plastiğin normal yüzey atomları veya moleküllerinin paylaşacakları ya da ayıracakları elektronları yoktur, çünkü hepsi kovalent ya da iyonik bağlarla bağlanmışlardır. Bu durumda yüzeye yapışma olmaz. Neyse ki pek iyi bir yöntem olmasa da- bu problemi çözmenin bir yolu vardır. VAN DER WAALS BAĞ KUVVETLERİ. Yüzey elektronlarının bağlı olup olmaması önemli değildir, bu bağ kuvvetleri yüzeyde her zaman mevcuttur ve böylece temiz bir plastik yüzeye zayıf ve ince bir metal tabakası kaplamak mümkün olacaktır. Burada altı çizilmesi gereken temiz kelimesidir, çünkü Van Der Waals kuvvetleri bağ yapmaya başlamak için nispeten zayıftır. Bu nedenle plastik yüzey üzerinde çok ince bir yağ, gres tabakası ya da küf bırakan bir mekanizma varsa hiç yapışma olmaz. # Bu konuyu ele alırken 1. Ders teki Bağ Yapma konusuna göz atmanızda fayda vardır.

9 EKT 13 5 Metalik bağ ile elde edilen bir yapışma gücünü Van Der Waals bağı ile elde edilenle kıyaslamak ilginç olacaktır. Metalik bağ: psi. Van Der Waals bağı: 50 psi! Bu karşılaştırma doğal olarak yaklaşık değerler üzerindendir ama yine de size durum hakkında bir fikir verecektir. Van Der Waals bağı metalik bir bağ ile karşılaştırıldığında gerçekten çok düşük bir güce sahiptir, ama yine de pek çok plastik kaplama uygulamasında bu güç yeterli olacaktır. Bazılarında ise fayda sağlamaz ve bu nedenle o ilk metal tabakasını daha güçlü biçimde yapıştırmanın yollarını aramamız gerekir. Bunu şu üç şekilde yapmak mümkündür: 1. Bir şekilde yüzeydeki kovalent bağları kopararak onları elektronlarını paylaşmaya ya da vermeye istekli hale getirin. Buna KİMYASAL BAĞ YAKLAŞIMI denir. 2. Plastik yüzeyi olabildiğince temiz hale getirin ve Van Der Waals bağlarının etkili olmasını bekleyin. Yukarıda genel olarak, pek çok örnekte görülen 50 psi değeri verilmiştir ama şartlara bağlı olarak bazı durumlarda bu değer 500 psi ye kadar yükselebilmektedir. Buna FİZİKSEL (ya da FİZİKO-KİMYASAL) BAĞ YAKLAŞIMI denir. (Şekil 2 ye bakınız). 3. Plastiğin yüzeyini pürüzlü hale getirin ve kalitesini düşürün. Böylece ilk birkaç tabakadaki metal atomları ve arkadan gelenler yüzeye mekanik olarak tutunurlar, bu tıpkı bir dişe dolgu yapmaya benzer. Buna MEKANİK BAĞ YAKLAŞIMI denir. Çoğu durumda bağ oluşumunun başlaması, bu üç yoldan iki ya da üçünün birlikte kullanılması halinde olur. Kaplamanın kimyasal bağların oluşumu ile başladığı bazı durumlar olmakla birlikte, esasında çoğu durumda fiziksel ve mekanik bağların kaplamayı başlattığı ve iyi yapışma sağlayan, daha iyi kaplama yöntemleri olduğu görülmüştür. Örneğin, elektron mikroskobu ile yapılan incelemelerde kalitenin düşürülmesi ile oluşturulan mikro-oyukların, ilk metal kaplama tabakasını oluşturmada faydalı olduğu görülmüştür #. # G. Woldt, Trans. Inst. Metal Finishing, 47, 236 (1969)

10 EKT 13 6 Şekil 2. Fiziko-Kimyasal Bağ Yalıtkanları kaplamadaki en temel problemin ne olduğunu anladığınıza göre yalıtkanları kaplamanın nedenlerini, nerede plastik yüzeylerin kullanıldığını ve plastik yüzeylerin nasıl daha iyi kaplanacağını göreceksiniz artık satıcıların iddialarını anlayabilecek bilgi birikimine sahipsiniz. Bu noktada yalıtkan bir yüzeye ilk metal tabakasının nasıl çökeltilebileceğini konuşacağız ve gerekli yüzey hazırlama tekniklerini sonraya bırakacağız. İLK METAL TABAKASI Çok önemli olan ilk tabaka metal atomları farklı yollarla yüzeye çökeltilebilir. 1. Metal atomlarını GAZ HALDEN çökeltebilirsiniz. Bunu yapabilmek için farklı birkaç yol vardır: (a) METAL BUHARLAŞTIRMA (VAKUM KAPLAMA) # (b) METAL PÜSKÜRTME (İYON KAPLAMA) (c) TERMAL VE KATALİTİK ÇÖZÜNDÜRME 2. Metal atomlarını SIVI HALDEN çökeltebilirsiniz. Bunu yapabilmek için sadece bir yol vardır: (a) ELEKTROLİZ KAPLAMA 3. Metal atomlarını KATI HALDEN çökeltebilirsiniz. Bu üç değişik yolla yapılabilir: + (a) İnce-düzgün bölünmüş metal fırça ile kaplanabilir (b) daldırılarak (c) püskürtülerek # Vakum kaplama aslında biraz yanlış bir adlandırmadır. Bir şeyi hiçbir şeyle kaplayamazsınız (ya da hiçbir şeyi bir şeyle kaplayamazsınız)! + Aynı zamanda yayarak da kaplayabilirsiniz (ısıtma işlemi) ancak bu konu burada ele alınmayacaktır.

11 EKT-13-7 Gördüğünüz gibi fazlaca seçenek vardır. Bazı yöntemler diğerlerinden daha iyidir ve bazı metotlar elektro kaplama için başlangıç niteliğinde değildir. Konuya GAZ HALDEN çökeltme yöntemleri ile başlayacağız. GAZ HALDEN METAL ÇÖKELTME VAKUM KAPLAMA Vakum kaplamanın arkasındaki fikir oldukça basittir. İçinde su kaynayan bir çaydanlık düşünün. İçerde buharlaşan su, su buharı halinde çaydanlığın ucundan sabit şekilde çıkmaktadır. Kısa bir süreliğine çaydanlığın ucunu kapatarak içerdeki su buharının basıncı ölçerseniz, suyun kaynama noktasına ulaştığında içerideki basıncın tam olarak 14,7 PSI (pound/inç 2 ), 1 atmosfer (atm) ya da 760 mm-cıva olduğu görülür ki, bu da dışarıdaki havanın basıncıyla tam olarak aynıdır. Sıvı haldeki suyu terk eden su molekülleri tıpkı gaz gibi davranırlar ve sıradan bir gazın yaptığı gibi çaydanlığın iç çeperine bir basınç uygularlar. Yarattıkları bu basınç sıvının BUHAR BASINCI olarak adlandırılır (bu durumda suyun buhar basıncı). Aynı zamanda SIVININ KISMÎ BASINCI olarak da adlandırılır. Burada unutulmaması gereken şey şudur: Su kaynama noktasına kadar ısıtılırken, herhangi bir bir sıcaklıkta, suyu terk eden belli sayıda su molekülü birbirlerine ya da kabın duvarlarına çarparak suya geri dönerler ve tekrar sıvı su molekülleri halini alırlar. Herhangi bir sıcaklıkta, (kapalı bir kapta) buharlaşarak sudan ayrılan su molekülü sayısı ile yoğunlaşıp tekrar sıvı haline dönen buhar molekülü sayısı arasında bir denge vardır. Bizim ölçtüğümüz buhar basıncı bu denge noktasında ölçtüğümüz basınçtır.

12 EKT 13 8 Sıvıdan ayrılan moleküller ortalama olarak sıvıda kalan moleküllerden daha fazla enerjiye sahiptir. Aksi halde onları sıvı halde tutan kuvvetleri yenerek sıvıdan ayrılmaları mümkün olmazdı! Doğal olarak, suya ne kadar ısı enerjisi verilirse su molekülleri o kadar enerjik hale gelirler. Bu da sıcaklık arttıkça daha fazla su molekülünün su yüzeyinden ayrılarak su buharı haline geleceği anlamına gelmektedir (buhar ve gaz eş anlamlıdır), ve gittikçe daha az sayıda buhar molekülü su haline geri döner. Kolayca görülebileceği gibi, suyun sıcaklığı arttıkça kabın içindeki BUHAR BASINCI da yükselir. KABIN İÇİNDEKİ BUHAR BASINCI DIŞARDAKİ HAVANIN BASINCIYLA TAM OLARAK AYNI NOKTAYA GELDİĞİNDE, SU KAYNAMA NOKTASINA ULAŞMIŞ DEMEKTİR. Bu herhangi bir sıvının kaynama noktasının tanımıdır. Suyun kaynama noktası atmosfer basıncında (1 atmosfer = 14,7 PSI = 760 mm-cıva) C dir (212 F). Daha düşük sıcaklıklarda buhar basıncı da daha düşük olur. HER SIVININ BELLİ BİR SICAKLIKTA BELLİ BUHAR BASINCI VARDIR. Belki şaşırtıcı gibi görünebilir, her KATININ belli bir sıcaklıkta belli bir buhar basıncı vardır. Bir katının kaynama noktasında, örnek olarak bakırı ele alalım, bakır atomları gaz hale dönüşmek için sıvı bakırı terk ederler. Ve o sıcaklıkta ( C) bakırın buhar basıncı 1 atmosferdir (14,7 psi). Sıcaklık C den aşağı düşerse daha az bakır atomu sıvı yüzeyini terk edecek böylece bakırın buhar basıncı düşecektir.

13 EKT-13-9 Katılaşma sıcaklığına düştüğünde ( C) bakırın buhar basıncı çok düşer ama yine de belli bir değeri vardır. Sıcaklık oda sıcaklığına doğru düştükçe basınç neredeyse yok olacaktır. Aslında basınç o kadar azalacaktır ki 1 gram ağırlığında bir bakır damlasının buharlaşması için 1 milyar yıl gerecektir. Bunu bir gram su ile karşılaştırırsak, bu miktarda su oda sıcaklığında 4 saat ya da daha az bir sürede buharlaşacaktır. İçinde su olan bir kap cam fanusun altına yerleştirilip basınç bir vakum pompası ile düşürülürse, oda sıcaklığında (20 0 C) olmasına rağmen kaptaki suyun kaynadığı gözlenecektir. Fanusun içindeki basınç 17,5 mm-cıvaya (Bu değer psi ve atmosfer cinsinden kaçtır?) düştüğü anda suda kabarcıklar oluşur ve kaynar. Bu durum önceden yapmış olduğumuz kaynama noktası tanımını destekler niteliktedir, bir sıvının kaynama noktası sıvı basıncının dış (çevre ya da ortam) basınca eşitlendiği sıcaklık seviyesidir. Şimdi aşağıda saf aluminyum için verilmiş buhar basıncı şekillerini göz önüne alalım. Saf aluminyumun kaynama noktası 2056 o C dir bu sıcaklıkta buhar basıncı 14,7 psi ya da 760 mm-cıvaya eşittir o C sıcaklıkta sıvı aluminyum artık kaynamamaktadır ve buhar basıncı 1 mm-cıvaya eşittir. Aluminyumun erime ısısı olan 660 o C sıcaklıkta buhar basıncı 0,00001 mm-cıvaya kadar düşer. Aluminyum bir şekilde erime noktasındaki veya daha yüksek sıcaklığa getirilirse ya da bir vakumlu kaba konarak basınç 0,00001 mm-cıvaya düşürülebilirse, tıpkı 20 o C sıcaklıkta ve 17,5 mm-cıva basınçtaki cam fanustaki su gibi, aluminyum da kaynamaya ve buharlaşmaya başlayacaktır. Buharlaşan aluminyum atomları (tek tip atomlu moleküller) gaz molekülleri gibi davranacaklardır. HER DOĞRULTUDA DÜZ HATLARDA HAREKET EDECEKLERDİR. Dahası bir başka açıdan da tıpkı su molekülleri gibi davranacaklardır. Aluminyum molekülleri kendilerinden daha soğuk olan herhangi bir yüzeye temas ederlerse yoğunlaşacaklardır (çökeceklerdir). (Burada enerjinin hangi ilkesi söz konusudur?)

14 EKT Vakumla metali buharlaştırarak kaplamanın temel prensibi budur. Burada dikkat edilmesi gereken başka bir nokta da vakum şudur: Vakum, aluminyumu buharlaştırma işinde yardımcı olmakla birlikte başka bir amaca daha hizmet etmektedir. Vakumun içindeki havada bulunan oksijen miktarını azaltarak oksitlenme ihtimalini de en aza indirmiş olur. Böylece aluminyum için 2Al + 3O 2 = Al 2 O 3 tepkimesi engellenmiş olur. Yüksek vakum aluminyum atomlarının oksijen atomları ile birleşmesini engeller, böylece ortaya değersiz ametalik aluminyum oksit çıkmasının önüne geçilmiş olur. Buharlaştırma metodunda akılda tutulması gereken bir diğer nokta METAL ATOMLARININ TAM OLARAK DÜZ ÇİZGİLER HALİNDE İLERLEMELERİ yani çökelmenin görüş alanında oluştuğudur. Şekil 4 te gösterildiği gibi ton yapılamaz, atomların önüne bir engel konursa arkadaki kısım kaplanmamış olacaktır. Doğru bir vakumla metal kaplama sürecinde buharlaştırılacak metal genellikle özel bir tungsten sargı metal eritme krozesine konur, bu düzenek cam fanusun içindedir (vakumlu kap). Doğru vakum basıncına ulaşıldığında elektrik akımı verilerek metal eritme kabı ısıtılır ve aluminyumun, altının, gümüşün ya da kullanılan diğer metalin erime noktasına ulaşılır, böylece işlem süreci başlar. Buharlaştırılan metalin buhar basıncı düşük olsa bile şaşırtıcı derecede çok sayıda metal atomu çıkar ve birkaç dakika içinde ince bir kaplama tabakası oluşur. Metal kaplanan tabaka kalınlığını kontrol etmek için bazı yollar vardır ancak bunlar buradaki konumuza dahil değildir. Kayıt cihazları hazırlamak gibi özel durumlar haricinde vakum kaplama toplu halde metalik olmayan nesnelerin kaplanmasında çok sık tercih edilen bir yol değildir.

15 EKT Bunun ardındaki sebep, daha sonra yapılacak bir kaplama için aluminyum gibi ucuz bir metal temel kaplama maddesi olamaz, çünkü üzerine kaplama yapılacak ince aluminyum filmi fazla aktiftir (ders 17 de öğreneceğimiz gibi aluminyum üzerine kaplama pek çok problem yaratmaktadır). Altın ve gümüş ise temel metaller olarak çok pahalıdırlar ve bunun yanı sıra gölgelenme gibi göz önünde tutulması gereken bir başka muhtemel problem vardır. Yine de ucuz plastik maddelerin özellikle ıvır zıvır malzemelerin kaplanmasında VAKUM KAPLAMA büyük rağbet görmektedir. (BU YOLLA YALITKAN MADDELER KADAR METALLER DE BİR BAŞKA METALLE KAPLANABİLMEKTEDİR.) Plastik maddeler kaplanırken laklanmış ince bir tabaka, buharlaşmış metal kaplama için astar kaplama olarak önem kazanmaktadır (genellikle aluminyum kaplamada). Seri üretimde ustaca hazırlanmış askı ve tutacaklara yerleştirilen malzemeler döndürülmek suretiyle kaplanacak yüzeyin her tarafının hareket eden atomlara maruz kalması ve kaplanması sağlanabilir. Vakumlu kaplar çok büyük (bir oturma odası boyutunda) veya çok küçük (bir cam fanus boyutunda) olabilirler. Kontrollü yapılan kaplama işlemi ile parçalara ince bir metal tabaka kaplanmıştır, parçalar çıkarılır ve üzerleri bu çok ince metal tabakasını koruyucu amaçlı, şeffaf lak tabakası ile kaplanır. Bu işlemin nasıl yapıldığını anladığınızı düşünerek bu tür metal kaplama işleminin ayrıntısına girmeyeceğim. Daha önce de söylediğim gibi, bu başlı başına bir alandır, daha fazla detaya girmek istiyorsanız dersin sonunda verilmiş olan kaynaklardan yararlanabilirsiniz. Konuyu bitirmeden önce bu tekniğin temel zorluklarından bahsedeceğim. 1. KULLANILAN VAKUM YETERİNCE DÜŞÜK DEĞİL başka bir deyişle sistemde bir sızma vardır ya da su buharı mevcuttur bu yüzden metal kaplama koyu ya da siyah olur. Bu genelde karşılaşılan bir zorluktur. 2. PARÇALARIN ASKIYA YANLIŞ ASILMASI YA DA KROZELERİN YANLIŞ YERLEŞTİRİLMESİ NEDENİYLE GÖLGELER OLUŞUR.

16 EKT VAKUMLU KABA KİRLİ PARÇALAR KOYULURSA VEYA LAK ASTAR YANLIŞ KAPLANMIŞSA YAPILAN KAPLAMA YAPIŞMAYACAKTIR. Şimdi başka bir konuya geçiyoruz. SPUTTERING (ATOM SÖKME) YÖNTEMİ İLE KAPLAMA Bu yöntemde de yüksek vakum kullanılmaktadır. Ancak bu teknikte sıvı haldeki metalden metal atomları buharlaştırılmamaktadır. Bunun yerine yüksek elektrik gerilimi uygulanarak katı metalden kopartılmaktadır. Çok yüksek vakumda, kaplama malzemesi olarak kullanılacak metal katot olarak kullanılır, anot olarak ise tungsten ya da başka bir iletken malzeme kullanılır. Bunların arasında uygulanan yüksek bir gerilim ile işleyecek aşağıda verilmiş olan mekanizma yordamıyla metal atomları katottan koparılmaktadır. Ortamda mevcut olan göreceli olarak az sayıdaki gaz molekülleri yüksek ölçüde iyonlaşırlar. Bahsettiğimiz bu gazlar, ortamda hava mevcut olmasından dolayı bulunan oksijen ya da azot gazları değildir, burada bahsedilen gazlar asal (soy) gazlar olarak da adlandırılan argon ve neon gibi gazlardır. Bu özel gazların kullanılmasındaki maksat oksijen moleküllerinin metal atomlarını oksitleyecek olmasıdır (genellikle kullanılan vakum basıncı metal buharlaştırma yöntemindekinden çok daha yüksektir), ancak asal gazların böyle bir etkisi yoktur. Pozitif yüklü argon iyonları büyük bir hızla katoda doğru hareket etmekte, onu bombardıman ederek üzerinden metal atomları koparmaktadırlar. Yüzeyden koparılan metal atomlarının net bir elektriksel yükü yoktur (iyonlanmış değillerdir) ve gaz atomları gibi karışık düz hatlarda hareket eder ve çarptıkları herhangi bir yüzeye çökelerek kaplanırlar. * Eğer kaplamak istediğiniz yüzey vakumlu kabın içinde uygun biçimde yerleştirilmişse, ince bir metal tabakası ile kaplanmış hale gelecektir. Metal buharlaştırmanın bir diğer özelliği de hiçbir şekilde ısının kullanılmamasıdır. Metal atomlarını yüzeyden koparmak için gereken enerji ısı ile değil, metalik yüzeye uygulanan yüksek hızlı iyon bombardımanı yani KİNETİK ENERJİ ile elde edilir. Şekil 5 bu olayın nasıl olduğunu göstermektedir. * İYON KAPLAMA işleminde (şekil 5B) kaplanacak cisim, kaplama metaline göre negatif yüklüdür (filaman, vb). Artı (pozitif) yüklü metal iyonları katoda doğru hareket eder ve artık kaplama yapmak için cismin görüş alanında olması gerekmez.

17 EKT İki çeşit sputtering (atom sökme) düzeneği hazırlama yolu vardır. Bunlardan biri doğru akım (D.C.) ile çalışır. Diğeri ise Megahertzlik (MHz) radyo frekanslarındaki (R.F.), yani saniyede milyon devir sayısındaki alternatif akım ile çalışır. Maksimum voltaj yaklaşık 4000 volttur. R.F. yöntemi bir cismin, örneğin aluminyum oksit gibi bir yalıtkan ile kaplanması istendiğinde tercih edilir. Bu teknik bir tek istisna haricinde, elektrikli kaplama öncesi hazırlık adımı olarak sıkça kullanılan bir teknik değildir. Bu teknik gomalak kaplama, balmumu kaplama veya kayıt bantlarına elektrikli şekil verme öncesi kullanılır, aynı zamanda elektrometrelerde kullanılmak üzere kuvars fiberlerin kaplanmasında da sınırlı bir kullanımı vardır. Eskiden plastik levhaları rulolar üzerinde devamlı kaplayarak metalik selofan ve bu tür maddeler üretme süreçleri vardı. Birkaç istisna dışında bu uygulamaların büyük çoğunluğu yerlerini buharlaştırma yöntemiyle kaplama tekniklerine bırakmışlardır. Çünkü buharlaştırma daha ucuzdur ve yüksek elektrik gerilimi olmadığı için daha güvenlidir. Yine de her zaman yeni fikirler ve uygulamalar olacaktır. Elektronik kullanım amacıyla metal alaşım filmleri oluşturmak için son zamanlarda başlamış bir uygulama mevcuttur. Dersin sonunda bu konuyla alakalı daha fazla bilgi bulabilirsiniz. BUHARLA KAPLAMA Bu teknik birkaç basit ilkeye dayanmaktadır. 1. Kaplama tabakasını üretmekte kullanılacak olan metal nispeten yüksek buhar basıncına sahip bir bileşiğe dönüştürülür başka bir deyişle uçucu bir hale getirilir.

18 EKT Yardımcı olması için, metal bileşik ısıtılarak buhar basıncı yükseltilir (aynı şekilde çaydanlıktaki su da buhar basıncını arttırmak için ısıtılmıştı). İşleme yardımcı olması amacıyla uygun bir vakum da sürece dâhil edilir. DİKKAT: Burada metal atomları, vakum kaplamadaki gibi kendi kendilerine buharlaşmamaktadırlar. Metal atomları molekül olarak buharlaşmaktadır bu başka bir şeyle birleşmeleri ile sağlanmaktadır, örneğin nikel klorür (NiCl 2 ). 3. Şimdi bu uçucu moleküller kaplamanın olacağı tarafa yönlendirilirler. Bu genellikle bir gaz pompası ile pompalayarak ya da başka bir şekilde yapılır. Yönlendirilen bölge kaplamanın yapılacağı bölge ya da kaplanacak cisimdir. Dış ısıtma ile (örneğin ışın ile radyan- ısıtma) sıcak hale getirilen bu cismin yüzeyine çarpan buhar molekülleri yüzeye # çökelir, çarpma sırasında metal atomlarını bırakırlar ve pompanın etkisiyle buhar molekülleri, genellikle gaz halinde, hareketlerine devam eder ve uzaklaşırlar. Muhtemelen itiraz edeceğiniz bir nokta olacaktır, yalıtkanları kaplarken ısıtmanın plastiği kaplama olasılığını kaldırdığını, hatta teflon ve o türden birkaç madde haricinde neredeyse tüm yalıtkanları kaplamayı imkânsız kıldığını düşüneceksiniz. Çoğu plastik nispeten yüksek sıcaklıkta erir, deforme olur ya da çözünür. Aslında son derece haklısınız! Bu süreç genellikle seramik gibi ametalleri ya da ısıya dayanıklı diğer metalleri kaplamak için kullanılmaktadır. Yine de, gaz hale gelebilen metalik bileşikler değişken tarafta olduğu için, bir katalizör oturtarak ya da yüzeye kaplayarak çözünmeyi sağlamak mümkündür. Ancak yine de bu yöntemin plastiklerin kaplanmasında kullanılmasının bir mahzuru vardır, uçucu metal bileşikleri zehirli, korozyona sebep olan gazlar içerirler. Örneğin demir ve nikel, karbon monoksit(co) ile kolaylıkla birleşerek yaparak karboniller olarak adlandırılan uçucu bileşikler oluştururlar. # Isınma ile neden çözünme meydana geldiğini biliyor musunuz? Uçucu metal bileşikleri çok yüksek serbest enerjiye sahiptirler. Molekülün metalik kısmı metal olarak kalmayı, gaz olan kısmı ise gaz olarak kalmayı tercih eder. Isı çözünmeyi başlatacak gerekli aktivasyon enerjisini sağlar.

19 EKT Bileşik çözündüğünde yeniden karbon monoksit açığa çıkar. Bildiğiniz gibi karbon monoksit araba egzozlarında az miktarda bulunan çok zehirli, renksiz, kokusuz bir gazdır. Bu nedenle sistem sızıntıya karşı %100 korumalı olmalıdır. CO her ne kadar daha çok karbonil elde etmek için geri dönüştürülebilse de, yalıtkan bir madde üzerinde ilk kaplama tabakasını elde etmek için çok çekici bir madde değildir. İyi uçuculuğa sahip diğer bileşikler florür ve klorür içeren bileşiklerdir, metal kaplandıktan sonra geride florin gazı, hidroflorik asit ya da hidroklorik asit kalır. Tüm bunlar, kimyasal anlamda kötü aktörlerdir. Kirlilik hakkında bunca bağrışmadan sonra, eğer geri dönüştürülemiyorlarsa, bunlardan kurtulmak problem yaratır. Yine de söylemek gerekir ki daha zararsız uçucu metalik bileşikler elde etmek ve bu süreçte kullanmak mümkündür. Örneğin alkol molekülü uçucu bir molekül oluşturmak üzere bir metal molekülü ile birleştirilebilseydi, plastik maddeleri bakırla kaplayabilir ve ortaya çıkan çözünme ürünüyle kafayı bulabilirdiniz! Şaka bir yana, bu alanda pek çok araştırma yapılmaktadır ve ortalama bir kaplayıcı için uygun yöntemler elde edilebilir. Üzerinde düşünmeye değer bir alandır. Şimdi sıvı halden kaplama işlemine geçiyoruz, genellikle pratik elektro-kaplayıcılarla kullanılmaktadır. ELEKTROLİZE KAPLAMA Belki 1. Ders ten hatırlarsınız, bir gümüş bileşiğinden gümüş kaplama işi kimyasal indirgenme ile yapılıyordu. Bunun bir örneği gümüş ayna imalatıdır. Aynalar yüz yıllardır bu şekilde elde edilmektedir. Orada ele alınan görüşleri hatırlarsanız gümüş film elde etmek için, çözünmüş gümüş bileşiğine indirgeme kimyasalı olarak adlandırılan bir kimyasal ekleniyordu. İndirgeme kimyasalı hiçbir şey almadan en yakınındaki komşusuna elektron verme yeteneğine sahiptir. Bu şekilde elektron vererek kendi serbest enerjisini azaltır ve daha az enerjili bir kimyasal bileşiğe dönüşür (bakınız ders 1, enerjinin 4 no.lu niteliği). Çözeltinin her tarafında dolaşan gümüş iyonları (Ag + ) bu elektronları alarak nötrleşirler ve gümüş atomları olarak çökelirler. Tüm süreç sembollerle basit bir şekilde şu şekilde özetlenebilir: Ag + + e - = Ag o = Ag (çökelmiş)

20 EKT Sözlü olarak ifade edersek: Gümüş iyonu bir vericiden elektron alır ve nötr gümüş atomu şeklinde çökelir. Herkes durumundan mutludur, elektron bulunduran bileşik bu işlemle kendi serbest enerjisini düşürerek daha az aktif hale gelmiştir, aynı zamanda gümüş iyonu da elektron alarak kendi serbest enerjisini düşürmüş ve normal bir gümüş atomu haline gelmiştir. Kişileştirecek olursak, bir dilenciye bozuk para veren adam durumundan memnundur çünkü kendine olan saygısı artmıştır, dilenci de iyi hissetmektedir çünkü bir bardak kahve içebilecektir. Özetle elektrolize kaplamanın temeli budur. Bir gümüş kaplama banyosunda katotta olan elektronik reaksiyon tam olarak aynı olsa da bu durumda ne anot ne katot ne de dışarıdan bir elektrik gücü kullanılmadığı için bu metoda elektrolize kaplama denilmektedir. Doğal olarak daha dikkatli baktığınızda sürece elektriğin etkisi olduğunu göreceksiniz (elektronların hareket etmesi bir elektrik akımı yaratır) ve her bir gümüş iyonu kendi başına katot olarak davranmaktadır ve her azalan iyon bir anot işlevi görmektedir. Yine de ortadaki büyük farklılıktan dolayı ismi elektrolize kaplama olarak alınmıştır. Bu işlem gümüşe olduğu gibi pek çok sayıda metale de uygulanabilir. Örneğin bakır, altın, nikel, kobalt gibi metallerin iyonik çözeltilerine uygun indirgeme çözeltileri katılır ve uygun şartlar sağlanırsa çökeltilebilirler. METAL ATOMLARININ ÇÖKELTİLMESİ Ders 1 de görmüş olduğunuz konuları biraz daha iyi düşünürseniz, böyle bir gümüş çözeltisinden kaplanan gümüşün rasgele çökeldiğini, çözeltinin içinde bulunduğu kabın tüm duvarlarına da gümüş kaplandığını hatırlayacaksınız. Ancak daha önce de altını çizerek belirttiğimiz gibi, gümüş elektrokaplamanın en büyük avantajı YÖNLENDİRİLMİŞ BİR KAPLAMA şeklinde yapılmasıdır, gümüşü yüzeyin (katot) istediğiniz yerlerine kaplar ve başka yerlere kaplamazsınız.