پژوهشگران کرهای با توسعه فناوری نوین آبکاری کامپوزیتی نقره–تفلون، موفق شدند پوششی تولید کنند که در مقایسه با آبکاریهای متداول، سختتر، لغزندهتر و مقاومتر در برابر سایش است. این فناوری که بدون استفاده از محلولهای حاوی سیانید توسعه یافته، میتواند دوام کانکتورها، رلهها و تجهیزات الکتریکی خودروهای برقی و محصولات الکترونیکی را بهطور چشمگیری افزایش دهد
نانوذرات تفلون، آبکاری نقره را متحول کردند؛ دوام بیشتر بدون استفاده از سیانید
پژوهشگران مؤسسه علوم مواد کره (Korea Institute of Materials Science – KIMS) موفق به توسعه فناوری نوینی در حوزه آبکاری نقره شدهاند که میتواند یکی از مهمترین نقاط ضعف پوششهای نقرهای را برطرف کند. این فناوری که توسط گروهی به سرپرستی سیل کیم (Seil Kim) از بخش پژوهش مواد انرژی و محیطزیست این مؤسسه ارائه شده است، با استفاده از نانوذرات پلیتترافلوئورواتیلن (PTFE) یا همان تفلون، پوششی تولید میکند که بهطور همزمان از سختی بالا، اصطکاک کم و مقاومت سایشی چشمگیری برخوردار است؛ ویژگیهایی که تاکنون دستیابی همزمان به آنها در آبکاری نقره بسیار دشوار بوده است.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی فناوری سطح و پوششها (Surface and Coatings Technology) منتشر شده و میتواند راهکار تازهای برای افزایش دوام قطعاتی باشد که بهطور مداوم در معرض تماس مکانیکی، اصطکاک و سایش قرار دارند؛ از جمله کانکتورهای خودروهای برقی، رلهها، کلیدهای الکتریکی، ترمینالهای الکترونیکی و فریمهای اتصال تراشههای الکترونیکی.
نقره به دلیل رسانایی الکتریکی بسیار بالا، یکی از پرکاربردترین فلزات در ساخت سطوح تماس الکتریکی به شمار میرود. به همین دلیل، از پوششهای نقرهای در کانکتورهای خودروهای برقی، رلههای خودرو، کلیدهای الکترونیکی و بسیاری از تجهیزات حساس استفاده میشود. با این حال، نرمی ذاتی نقره باعث میشود این پوششها در اثر تماسهای مکرر، اتصال و جداسازی کانکتورها یا عملکرد پیوسته کلیدها و رلهها بهتدریج دچار خراش، سایش و تخریب شوند. این آسیبها میتوانند کیفیت تماس الکتریکی را کاهش داده و در نهایت بر عملکرد و ایمنی تجهیزات اثر منفی بگذارند.
برای رفع این مشکل، پژوهشگران سالهاست تلاش میکنند ذرات پلیتترافلوئورواتیلن (PTFE) را که با نام تجاری تفلون نیز شناخته میشود، درون پوششهای نقرهای وارد کنند. تفلون به دلیل ضریب اصطکاک بسیار پایین، یکی از بهترین روانکنندههای جامد محسوب میشود و میتواند حرکت مکانیکی قطعات را نرمتر کرده و میزان سایش را کاهش دهد.
اما استفاده از نانوذرات تفلون در فرآیند آبکاری با یک مانع اساسی روبهرو بوده است. این ذرات تمایل زیادی به تجمع و تشکیل کلوخه در محلول آبکاری دارند. افزایش مقدار تفلون اگرچه اصطکاک را کاهش میدهد، اما استحکام پوشش را کم میکند و کاهش مقدار آن نیز اثر روانکنندگی مطلوب را از بین میبرد. در نتیجه، ایجاد تعادل میان سختی بالا و اصطکاک پایین همواره یکی از چالشهای بزرگ این حوزه بوده است.
از سوی دیگر، بیشتر فرآیندهای متداول آبکاری نقره از محلولهای حاوی سیانید استفاده میکنند؛ ترکیباتی که به دلیل سمیت بالا، خطرات قابلتوجهی برای کارکنان صنایع آبکاری ایجاد کرده و هزینههای تصفیه پساب را نیز افزایش میدهند. به همین دلیل، توسعه روشهای فاقد سیانید به یکی از اهداف مهم صنعت آبکاری در سالهای اخیر تبدیل شده است.
پژوهشگران کرهای برای غلبه بر این محدودیتها، محلول آبکاری اسیدی جدیدی طراحی کردند که فاقد سیانید است و در آن از یک ماده فعالکننده سطحی فلوئوردار با نام FC-4 استفاده شده است. این ماده باعث میشود نانوذرات تفلون بهصورت یکنواخت در محلول باقی بمانند و از تجمع آنها جلوگیری شود.
اعضای گروه پژوهشی با تنظیم دقیق اسیدیته محلول، مقدار ماده فعالکننده سطحی و غلظت نانوذرات تفلون، شرایطی ایجاد کردند که این ذرات بهطور یکنواخت در پوشش نقره توزیع شوند. آنها علاوه بر انجام آزمایشهای تجربی، با استفاده از شبیهسازیهای دینامیک مولکولی نیز سازوکار پایداری این ذرات را بررسی کردند و نشان دادند چگونه ماده فعالکننده سطحی، توزیع یکنواخت نانوذرات را در طول فرآیند آبکاری حفظ میکند.
در پوشش تولیدشده، نانوذرات تفلون همانند روانکنندههای جامد عمل کرده و اصطکاک میان سطوح را به میزان قابلتوجهی کاهش میدهند. همزمان، ساختار دانههای نقره نیز ریزتر و متراکمتر میشود که نتیجه آن افزایش سختی مکانیکی پوشش است.
بررسیهای انجامشده نشان داد پوشش کامپوزیتی نقره–تفلون (Ag–PTFE) در مقایسه با آبکاری نقره خالص، حدود ۲۳ درصد سختتر است. همچنین ضریب اصطکاک این پوشش به کمتر از ۰٫۲ رسیده و مقاومت سایشی بسیار بالاتری از خود نشان داده است. این نتایج بیانگر آن است که پژوهشگران توانستهاند بر یکی از مهمترین محدودیتهای فناوری آبکاری غلبه کنند و پوششی تولید کنند که همزمان سختتر، روانتر و مقاومتر در برابر سایش باشد.
به گفته پژوهشگران، این فناوری میتواند در طیف گستردهای از قطعاتی که سطوح فلزی آنها بهطور مکرر با یکدیگر تماس پیدا میکنند یا روی هم حرکت میکنند، مورد استفاده قرار گیرد. کانکتورهای خودروهای برقی، کنتاکتهای رله، کلیدهای الکتریکی، ترمینالهای الکترونیکی و فریمهای اتصال تراشهها از مهمترین کاربردهای بالقوه این پوشش به شمار میروند.
اهمیت این فناوری با گسترش خودروهای برقی بیش از گذشته نمایان میشود. استفاده از سامانههای ولتاژ و جریان بالا در این خودروها باعث شده است قطعات اتصال الکتریکی در شرایط سختتری کار کنند و در برابر لرزش، تماسهای مکرر و بارهای الکتریکی سنگین مقاومت بیشتری داشته باشند. از این رو، توسعه پوششهایی که بتوانند کیفیت تماس الکتریکی را در بلندمدت حفظ کنند، نقش مهمی در افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان خودروهای برقی خواهد داشت.
پژوهشگران معتقدند این فناوری علاوه بر افزایش طول عمر قطعات، هزینههای تعمیر، نگهداری و تعویض تجهیزات را نیز کاهش خواهد داد و در نهایت به افزایش قابلیت اطمینان محصولات الکترونیکی و خودروهای برقی منجر میشود.
از سوی دیگر، روند رو به رشد بازار جهانی آبکاری، اهمیت اقتصادی این دستاورد را نیز افزایش داده است. برآوردها نشان میدهد ارزش بازار جهانی آبکاری تا سال ۲۰۳۲ به حدود ۲۷٫۲ میلیارد دلار خواهد رسید؛ موضوعی که نشان میدهد فناوریهای آبکاری نقره با قابلیت اطمینان بالا، سهم مهمی در آینده این صنعت خواهند داشت و میتوانند فرصتهای تازهای برای تولیدکنندگان تجهیزات الکترونیکی و خودروسازان ایجاد کنند.
