مقدمه
پوششهای تزیینی یکی از صنایع پولساز هستند که امروزه هم توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. از آنجایی که مواد مورداستفاده در ساخت اشیا ممکن است خودشان از زیبایی کافی برخوردار نباشند، در موارد بسیاری استفاده از پوششهایی برای افزایش زیبایی و مقاومت این مواد مطلوب تولیدکنندگان است. از این رو است که صنعتی با موضوع پوششهای تزیینی به وجود آمده و شرکتهایی بهصورت تخصصی در این زمینه فعالیت میکنند.
طی سالهای اخیر نیز با ورود فناوری نانو و توسعه روشهای لایهنشانی مانند رسوب بخار فیزیکی[1](PVD) و رسوب به خاطر شیمیایی[2](CVD) توجه بیشتری به این صنعت شده است. شرکتهای فراوانی شکل گرفتهاند که از فناوری نانو و لایهنشانی نانوپوششها برای افزایش زیبایی اشیا، شیرآلات، یراقآلات و… استفاده میکنند و در این گزارش به برخی از آنها پرداخته میشود. فناوری نانو و نانوپوششها، چشمانداز جدیدی را پیش روی این صنعت و صنایع مرتبط مانند صنایع اشیا تزیینی، شیرآلات و کاشیها قرار داده است.
در طول گزارش پیش رو به معرفی روش PVD، دستگاههای موجود در داخل کشور و همچنین شرکتهای تولیدکننده این پوششها پرداخته میشود. همچنین پتانسیل این صنعت در ایجاد فرصتهای شغلی جدید داخل کشور نیز موردبحث قرار خواهد گرفت.
پوششدهی نانو
برای ساخت نانوپوششها روشهای مختلفی وجود دارد. از مهمترین دستگاههایی که به این منظور مورداستفاده قرار میگیرند و بهصورت صنعتی نیز قابل ارتقا مقیاس[3] هستند، میتوان به دستگاه رسوب بخار فیزیکی اشاره کرد. PVD به طور کلی به فرایندی گفته میشود که در آن ماده از یک فاز جامد بهصورت بخار درآمده و سپس بر روی یک زیرلایه نشانده شده و مجدداً به فاز جامد باز خواهد گشت. در این فرایند امکان لایهنشانی در ابعاد اتمی و مولکولی وجود دارد. همچنین محفظهای که لایهنشانی داخل آن صورت میگیرد، بهصورت خلأ بوده یا محیطی گازی با فشار کم دارد. این روش میتواند پوششهایی به ضخامت تنها چند نانومتر تا چندین هزار نانومتر ایجاد کند. موادی که روی آنها لایهنشانی صورت میگیرد، میتوانند دارای ابعاد مختلف یا اشکال ساده یا پیچیده باشند. (هرچند ممکن است در اشکال پیچیده لایهنشانی بهصورت یکنواخت صورت نگیرد)[1].
در گذشته پوششها (بهعنوان مثال برنج) بهصورت یک لاک روی سطوح اعمال میشدند تا جلوی کدر شدن آن سطوح را در گذر زمان را بگیرند. زمانی که لاک روی سطح به هر دلیل از بین میرفت، آلیاژ زیری در معرض اکسید شدن قرار میگرفت. در اکثر موارد این اکسید شدن و تیرگی بهصورت کاملاً اتفاقی بوده که منجر به زشتی و تیرگی محصول میشد.[2]
پوششهایی که در روش PVD قابل ایجاد کردن هستند عبارتاند از انواع عنصرها، آلیاژها یا برخی ترکیبات که از طریق واکنش در حین فرایند رسوب ایجاد میشوند. در این حالت عناصر که بهصورت بخار درآمدهاند، ممکن است که با گاز موجود در محیط واکنش داده و ترکیب حاصل روی سطح رسوب کند. (مانند پوشش TiN که از واکنش تیتانیوم با گاز N2 تشکیل میشود)
به طور کلی روشهای PVD به چهار دسته تقسیمبندی میشوند که پرداختن به هرکدام از آنها از حوصله این گزارش خارج است؛ اما صرفاً برای آشنایی خیلی مقدماتی، نام این چهار روش در ادامه آمده است:[1]
در PVD با استفاده از روشهای مختلف، اتمها از سطح نمونه (مادهای که برای پوشش دادن استفاده میشود) کنده شده و به سمت زیرلایه (جسمی که قصد پوششدهی آن را داریم) حرکت کرده و روی آن رسوب میکنند. به این دلیل که در زمان کنده شدن این مواد به حالت گاز (بخار) درمیآیند، به این روش رسوبدهی بخار فیزیکی گفته میشود.
شکل 1- اصول کارکرد روش PVD ذرات نمونه بهصورت گاز درآمده و روی زیرلایه رسوب میکنند.[3]
پوششهای تزیینی
پوششهایی که با روش PVD قابل اعمال هستند میتوانند با اهداف مختلفی اعمال شوند. از مهمترین این اهداف که در این گزارش روی آن تمرکز میشود، افزایش مقاومت به خوردگی و همچنین ایجاد خاصیت زیبایی برای محصولات است. پوششهای فلزی یا ترکیبات آنها میتوانند رنگهایی براق و بسیار زیبا روی سطوح اعمال کنند. بهویژه در سطوحی مانند شیرآلات که با وجود استفاده از استیلهای ضدزنگ، همچنان بعد از استفاده طولانی تیره رنگ میشوند، این پوششها میتوانند زیبایی محصول را برای مدت بسیار زیادی حفظ کرده و همچنین در مقابل خوردگی و مواد شوینده نیز از خود مقاومت نشان دهند.
این روش پوششدهی در ابتدا برای سختکاری روی فلزات و همچنین تراشکاری در قطعات صنعتی، نظامی و هوافضا استفاده میشد؛ اما امروزه در صنایع مختلفی که تزیینات و زیبایی جزء جدانشدنی آنهاست نیز دیده میشود. از این صنایع میتوان به شیشه و بلور، سرامیک، شیرآلات، یراق ساختمانی و همچنین قطعات دکوری و تزیینی اشاره کرد. به دلیل آنکه در این روش لایه تولید شده بسیار نازک است، عملاً تغییری در ابعاد محصول ایجاد نخواهد کرد اما موجب بهبود چند برابری خواص ضدسایشی، خوردگی و زیبایی محصول میشود. از ویژگی محصولات لایهنشانی شده با فرآیند PVD میتوان به موارد زیر اشاره کرد:[4]
- ایجاد سختی سطحی بالا؛
- مادهای خنثی و پایدار؛
- چسبندگی قوی (مقاومت در برابر سایش)؛
- تحمل حرارتی بالا؛
- ضخامت از چند نانومتر تا چند میکرومتر؛
- مقاوم در برابر خوردگی؛
- غیرسمی بودن؛
- پوشش یکنواخت و بدون برآمدگی؛
- افزایش آبگریزی سطح.
این روش لایهنشانی فلزات بهعنوان روشی سبز شناخته میشود. در آبکاری سنتی از مقادیر زیادی فلزات سمی مانند سرب، جیوه، کادمیوم، باریم و کروم استفاده میشود. این فلزات سمی به دلیل قرارگیری در زباله، میتوانند رفتهرفته به داخل خاک نشت کرده و خاک را مسموم کنند؛ اما در روش PVD، دیگر خبری از این فلزات سمی نیست.
در معماری و دکوراسیون، رنگها از اهمیت ویژهای برخوردارند که برای معنابخشی به سازهها استفاده شده و به نوعی نمایانگر هنر معمار هستند. قطعات مختلف خانه از اشیا گرفته تا کاشیها و شیرآلات و دستگیره و یراقآلات ساختمانی، همگی میتوانند با استفاده از نانوپوششها پوششدهی شده و رنگ و رویی دلنشین بگیرند که در حال حاضر در معماری مدرن جایگاه ویژهای دارد.
شکل 2- نمونهای از اشیا تزیینی پوشش داده شده با PVD [5]
پوششدهی PVD میتواند برای لوازم دکوری، تزیینات، لوستر و لوازم روشنایی نیز استفاده شود. روکشدهی با PVD میتواند دو رویکرد عملکردی و تزیینی داشته باشد. در رویکرد عملکردی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی سطح ارتقا داده میشوند تا مقاومت آن را در برابر عوامل مختلف حفظ میکنند. در رویکرد تزیینی این پوششها عمدتاً برای ایجاد رنگها، ایجاد درخشش و همچنین شفافیت استفاده میشوند.
از رنگهای معمولی که با استفاده از PVD با رویکرد تزیینی اعمال میشوند، میتوان به رنگهای طلایی[8]، رز طلایی و برنز اشاره کرد. لیستی کامل از انواع این رنگها در تصویر آورده شده است.
شکل 3- انواع پرداخت رنگ با PVD که توسط شرکت استرالیایی Brodware با نام Infinium ارائه میشود. [6]
پرداخت اشیا با استفاده از PVD
در اولین مرحله سطح موردنظر پولیش داده میشود تا بهصورتی کاملاً صیقلی در بیاید. پس از آن ممکن است چند مرحله با مواد مختلفی آبکاری شود. در نهایت نیز داخل دستگاه PVD و خلأ قرار گرفته تا لایهنشانی نهایی با ابعاد نانو روی آن صورت بگیرد.[1]
دستگاههای PVD ابعاد بسیار بزرگی دارند و دارای پایههایی برای نگهداری نمونه هستند. این روش نسبت به روشهای سنتی آبکاری هزینه بالاتری داشته و تخصص بیشتری را از طرف اپراتور دستگاه طلب میکند.
وضعیت پوششهای تزیینی در داخل ایران
در زمینه پوششهای تزیینی، شرکتهای زیادی شروع به فعالیت کردهاند. این شرکتها را به طور کلی میتوان به دو دسته تقسیم کرد:
- شرکتهای خدماتدهنده پوششهای PVD؛
- شرکتهای تولیدکننده محصولات.
برخی از شرکتهای تولیدکننده کاشی، رنگآمیزی و طراحی کاشیها را با روشهای جدیدتری انجام میدهند. پوششهای نانوساختار ایجاد شده با استفاده از PVD ماندگاری بالایی داشته و همچنین جلا و برق خوبی نیز دارند. این کاشیها در تمام سطوح از قبیل سرویس بهداشتی، حمام و دکوراسیون داخلی کاربرد دارند. مزیت دیگری که این کاشیهای لایهنشانی شده در کنار زیبایی دارند، مقاومت این پوششها نسبت به شویندههای خانگی است که به سادگی میتوان آنها را تمیز کرد.[7]
شکل 4- نمونهای از کاشیهای تزیینی شرکت نگار گستر جاوید
تولیدکنندههای کاشی با پوشش نانوساختار تزیینی:
نگار گستر جاوید کاشی و سرامیکهای شرکت نگار گستر جاوید به برخی کشورهای حاشیه خلیجفارس، کشورهای همسایه و همچنین برخی کشورهای آسیای میانه نیز صادر میشوند. همین موضوع گواهی بر کیفیت این محصولات تولیدی است. همچنین این شرکت برای لایه نشانی محصولات خود از دستگاه تولید داخل استفاده میکند.[8]
در زمینه شیرآلات نیز شرکتهایی اقدام به استفاده از فناوری نانوپوشش PVD برای پوششدهی محصولات خود کردهاند. تمام شیرآلات از دو جنس آلیاژ برنج یا سرب خشک ساخته میشوند. تفاوتی که در ظاهر آنها دیده میشود، به خاطر تفاوت در پوششهای آنهاست. روکشهای برنج، برنز، مس و استیل بیشترین کاربرد را برای پوششدهی شیرآلات دارند. البته پوششهای TiN و TiAIN پوششهایی هستند که امروزه بیشتر استفاده میشوند و سختی و مقاومت خیلی بالاتری نسبت به پوششهای قدیمی در برابر خوردگی از خود نشان میدهند.
شکل 5- شیرآلات پوشش داده شده با روش PVD
برخی از شرکتهای تولیدکننده شیرآلات با پوششهای نانویی:
- تولیدی و صنعتی کلارپویا؛
- صنایع توسعه ساختمان آروشا؛
- شیرآلات بهداشتی آتریسا؛
- درخشان صنعت آناهیتا؛
- گروه صنعتی کریمپور؛
- شیرآلات بهداشتی پاشازاده آویسا.
یراقآلات و دستگیرهها نیز عمدتاً از جنس فلز هستند و در برابر خوردگی آسیبپذیر هستند. تغییر رنگ تقریباً در تمامی دستگیرهها بهمرورزمان اتفاق میافتد. با استفاده از پوششهای تزیینی، میتوان ضمن داشتن زیبایی، دوام این دستگیرهها را نیز افزایش داد.
- گروه صنعتی مصلحتی؛
- تلرانس؛
- دستگیره ایران؛
- کارخانجات ایران برنز استیل.
شرکت کن صنعت آذین از شرکتهای فعال در زمینه تولید اجاقگاز با پوشش نانوساختار تزیینی است. محصولات این شرکت مقاومت زیادی در برابر خش و رطوبت از خود نشان میدهند. اجاق به دلیل اینکه در معرض مواد خوراکی مختلف و همچنین حرارت زیادی است، مقاومت پوشش آن از اهمیت زیادی برخوردار است. لایهنشانی با این پوشش هزینه افزوده زیادی ندارد اما در نهایت ارزشافزوده زیادی برای مشتری دارد.
همچنین شرکتها و کارگاههای زیادی در زمینه خدمات پوششدهی تزیینی فعالیت میکنند. چند شرکت معروف که بهصورت تخصصی خدمات PVD ارائه میکنند در ادامه آمده است:
معروفترین پوششهای تزیینی مقاوم که مورداستفاده قرار میگیرند، TiN و TiAIN هستند.
پوشش TiN:
TiN یا نیترید تیتانیوم یکی از مواد بسیار پرکاربرد در صنعت پوششدهی است. علت آن نیز خواص سایشی فوقالعاده این ماده و همچنین پایداری شیمیایی بالای آن است. دامنه کاربردهای این ماده بسیار وسیع است. از تجهیزات ماشینکاری گرفته تا نیمهرساناها از آن استفاده میشود. همچنین TiN به دلیل رنگ طلایی جذابی که دارد، در کاربردهای تزیینی بسیاری استفاده میشود. البته لازم به ذکر است که در فرآیندهای مختلف، بازههای رنگی که از این پوشش میتوان به دست آورد، تنها طلایی و زرد مایل به سبز و قهوهای است. همچنین ساختارهای اکسی نیتریدی نیز میتوان به دست آورد که در آنها به دلیل حضور اکسیژن، امکان بیشتری برای تنظیم خواص نوری این پوششها وجود دارد. در نتیجه با تغییر میزان اکسیژن، میتوان رنگ این ساختارها را از طلایی براق تا آبی تیره تغییر داد.[9]
پوشش TiAlN
پوششهای TiN از خواص بسیار خوبی بهعنوان پوشش برخوردار هستند اما مشکل اصلی آنها این است که در دمای بالا تا حدودی در معرض اکسید شدن قرار میگیرند. برای رفع این مشکل یکی از راهحلها اضافه کردن مقداری آلومینیوم به داخل ساختار است. در نتیجه این رویکرد، پوششهای TiAlN شروع به گسترش کردند که همین مسئله نیز باعث شده است در طی چند سال اخیر، افزایش زیادی در کیفیت پوششهای ایجاد شده در دماهای بالا (حدود 700-800 درجه سانتیگراد) دیده شود.[10] در بسیاری از موارد، این پوششها میتوانند بهصورت دو لایه یا چندلایه ترکیبی TiAlN و TiN استفاده شوند.
تولیدکنندههای ایرانی دستگاه PVD
چهار شرکت معروف ایرانی در زمینه ساخت و تولید دستگاههای لایهنشانی در خلأ فعالیت میکنند.
شرکت پوششهای نانوساختار یکی از قدیمیترین شرکتها (حدود 20 سال سابقه) در این زمینه است که عمده فعالیت آن مربوط به دستگاههای رومیزی است که میتواند برای آمادهسازی نمونههای آنالیزی استفاده شود.
شرکتهای مهندسی سطح سوین پلاسما، یارنیکان صالح و خلأ پوشان فلز، تولیدکننده دستگاههای صنعتی در این حوزه هستند که دستگاههای این شرکتها در کارگاههای مختلف مورداستفاده قرار میگیرد و دارای تأییدیه نانومقیاس از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو نیز هستند.[11]
بازار پوششهای PVD
بر اساس پیشبینی موسسه Mordor Intelligence، اندازه بازار پوششهای PVD تا سال 2027 به طور میانگین سالانه 5% افزایش اندازه خواهد داشت.[12] همچنین بر اساس گزارش دیگری از موسسه Grand View Research، بازار PVD در سال 2020، 18.5 میلیارد دلار بوده است که این بازار نیز پیشبینی شده است که اندازه این بازار تا سال 2028 بهصورت سالانه با نرخ 5.8% افزایش پیدا کند. همچنین این موسسه در گزارش خود اشاره کرده است که بازار پوششهای لایهنازک برای کاربردهای تزیینی در حال افزایش است و همچنین به دلیل زیستسازگاری مناسبی که دارند، استفاده آنها در زمینه محصولات پزشکی نیز در حال افزایش است.[13]
بر اساس گزارش کاربرد فناوری نانو در ایران که در سال 1399 توسط ستاد توسعه فناوری نانو تهیه شده است، در طی این سال فروش محصولات فناوری نانو در حدود 4400 میلیارد تومان بوده است که از این میزان 55 درصد آن متعلق به صنعت ساختوساز بوده است. بیش از 70 درصد از محصولات حوزه ساختمان به دلیل کاربرد لایهنشانی PVD بوده است. (فروش محصولات نانو که با PVD لایهنشانی شدهاند تنها در صنعت ساختمان بیش از 1700 میلیارد تومان بوده است.) تنها همین موضوع میتواند نشان از بزرگی بازار این صنعت باشد. همچنین در سال 1398، بازار خدمات فناوری نانو در حدود 101 میلیارد تومان بوده است که حدود 66 درصد از این بازار متعلق به فناوری PVD است.
با افزایش نیاز تولیدکنندگان مختلف محصولات به استفاده از این فناوری، کسبوکار شرکتهای ارائهکننده خدمات رونق بیشتری خواهد گرفت و قادر خواهند بود که برای افراد بیشتری ایجاد اشتغال کنند. همچنین از آنجایی که این فناوری ارزشافزوده بیشتری برای محصولات ایجاد خواهد کرد، میتواند در نهایت منجر به افزایش سود شرکت و در نتیجه آن حقوق دریافتی کارمندان شود.
به طور کلی تأثیر افزایش استفاده از این فناوری در سه حوزه تولیدی و خدماتی قابل مشاهده خواهد بود:
- شرکتهای تولیدکننده دستگاههای PVD؛
- شرکتهای خدماتدهنده پوششهای تزیینی؛
- شرکتهای استفادهکننده از این خدمات: این شرکتها با هدف افزایش کیفیت محصولاتشان خدمات پوششدهی PVD استفاده میکنند..
خلاصه
روش لایهنشانی بخار فیزیکی روشی جدید است که میتواند لایههایی از جنسهای مختلف در ابعاد چند نانومتر تا چند میکرومتر روی سطوح ایجاد کند. این پوششها در کنار داشتن مقاومت بالا نسبت به سایش و مواد شیمیایی مختلف، دارای رنگهای زیبایی هستند که میتوانند جذابیت زیادی به سطوح ببخشند. به همین دلیل است که چند سال اخیر استفاده از آنها بهعنوان پوششهای تزئینی در صنایعی مانند کاشی، سرامیک، شیرآلات و همچنین یراق ساختمانی رواج زیادی پیدا کرده است. در حال حاضر بخش بسیار بزرگی از بازار محصولات و خدمات فناوری نانو کشور در اختیار پوششهای PVD است. زیرساخت و دستگاههای PVD توسط چند شرکت ایرانی در داخل کشور تولید میشود که استفاده از این فناوری را در کشور تسریع میکند و منجر به کاهش هزینه استفاده از آن نیز میشود. در درازمدت روی آوردن شرکتهای تولیدکننده محصولات تزیینی به استفاده از این روش، منجر به بهبود استفاده از آنها میشود.
منابع
[1] D. M. Mattox, Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. Elsevier, 2010.
[2] M. Tanzi, “What is a PVD Finish?,” Palmer Industries, 2016. https://sinklegs.com/what-is-a-pvd-finish/ (accessed Jan. 19, 2022).
[3] M. S. Rafique, M. Rafique, M. B. Tahir, S. Hajra, T. Nawaz, and F. Shafiq, “Synthesis methods of nanostructures,” in Nanotechnology and Photocatalysis for Environmental Applications, Elsevier, 2020, pp. 45–56.
[4] مجتمع تولیدی صنعتی شیرآلات آتریسا, “ویژگی محصولات PVD.” http://www.atrisataps.ir/fa/blog/single?id=5 (accessed Dec. 21, 2021).
[5] گروه صنعتی نور مهر هدی, “طراحی داخلی.” http://golfapvd.com/product/طراحی-داخلی/ (accessed Dec. 21, 2021).
[6] Brodware, “Brodware Finishes,” 2021. https://www.brodware.com/finishes/ (accessed Jan. 19, 2022).
[7] نگارستان, “آشنایی با کاشی کتینگی، بروزترین تکنولوژی روز دنیا در صنعت کاشی و سرامیک.” https://negarestantile.com/برسی-کاشی-های-کتینگی/ (accessed Jan. 17, 2022).
[8] س. و. ت. ف. نانو, “صادرات کاشی و سرامیک با پوشش نانو به کشورهای حاشیه خلیجفارس,” 2020. http://indnano.ir/post/2499/صادرات-کاشی-و-سرامیک-با-پوششنانو-به-ک (accessed Feb. 02, 2022).
[9] J. M. Chappé et al., “TiN-based decorative coatings: Colour change by addition of C and O,” J. Optoelectron. Adv. Mater., vol. 10, no. 4, pp. 900–903, 2008.
[10] S. Das and B. P. Swain, “Investigation of titanium aluminium nitride (TIALn): A review,” Lect. Notes Electr. Eng., vol. 443, pp. 147–158, 2018, doi: 10.1007/978-981-10-4765-7_16.
[11] م. کدخدایی, “محصولات فناوری نانوی ساخت ایران,” in 5, ستاد ویژه توسعه فناوری نانو, 1399.
[12] Mordor Intelligence, “Physical Vapor Deposition (PVD) Coatings Market – Growth, Trends, COVID-19 Impact, and Forecasts (2022 – 2027),” 2021.
[13] Grand View Research, “Physical Vapor Deposition Market Size, Share & Trends Analysis Report By Category, By Application (Microelectronics, Data Storage, Solar Products, Cutting Tools), By Region, And Segment Forecasts, 2021 – 2028,” 2021.
[1] Phisical Vapor Deposition
[2] Chemical Vapor Deposition
[3] Scale-up
[4] Vacuum Deposition
[5] Sputtering
[6] Arc Vapor Deposition
[7] Ion Plating
[8] Gold
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- امید الهی، شرکت توسعه مهندسی الماسواره دانش
بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
