O Estudo E Desenvolvimento De Filmes Finos De Vidro Metálico Utilizando Magnetron Sputtering Para Aplicações Industriais

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE FILMES FINOS DE VIDRO METÁLICO UTILIZANDO MAGNETRON SPUTTERING PARA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

Resumo

Nas últimas décadas, o estudo e a produção de vidros metálicos foram impulsionados devido às suas características únicas, que lhes conferem grandes perspectivas de aplicações industriais. A não ocorrência dos mecanismos de deformação plástica através de movimentos de discordâncias, devido à inexistência de ordenamento atômico de longo alcance, torna os metais com estrutura vítrea, materiais com alta resistência mecânica, acima de 2 GPa, alta elasticidade (2%, comparado com 0,2% dos metais cristalinos em geral) e melhor resistência à corrosão, que combinadas com sua elevada tensão de escoamento e tenacidade à fratura, os tornam materiais de grande interesse científico e tecnológico (ASKELAND, et al., 2017), (WANG, 2012), (ZEMAN, 2017), (SCHUH, 2007). No entanto, um compreensivo entendimento físico da estrutura desordenada e de como ela afeta as propriedades dos vidros metálicos, ainda é considerado um dos grandes desafios da Engenharia e Ciência dos Materiais. Pesquisas intensas levaram a descoberta de filmes finos de vidros metálicos e, se a habilidade de formar vidro dos metais for melhorada, diferentes composições podem ser amorfizadas.

Introdução

Vidros metálicos (VMs), ou ligas metálicas amorfas, são metais não cristalinos sem periodicidade atômica de longo alcance, pois são formados geralmente com taxas de resfriamento rápido para a retenção do estado vítreo após fusão.

Os VMs são materiais de não equilíbrio; a temperatura de transição vitrea e a temperatura de cristalização são características importantes quando são aquecidos até o estado líquido. Devido à estrutura atômica desordenada e à ausência de contornos de grãos, os VMs têm muitas propriedades superiores, incluindo boas propriedades magnéticas e excelentes propriedades mecânicas, alta resistência específica, grandes limites elásticos (~2%) e alta resistência à corrosão e ao desgaste (CHU, 2012).

Os termos não-cristalino, amorfo e vítreo, se referem à arranjos atômicos similares nos materiais sólidos e, portanto, esses termos são utilizados, alternadamente, na literatura levando a certa confusão. Alguns pesquisadores têm preferência em utilizar o termo “amorfo”, enquanto outros utilizam o termo “vítreo” ou ainda o termo “não-cristalino”. Alguns pesquisadores se referem a faixas finas de materiais vítreos como amorfos e as ligas vítreas de grandes volumes como vidros. É geralmente aceito que “não-cristalino” é um termo genérico usado para descrever qualquer material sólido que não possui cristalinidade. Os pesquisadores tentaram então distinguir materiais amorfos de vidros. Vidro é um solido não-cristalino formado por resfriamento contínuo do estado líquido. Por outro lado, material não-cristalino, obtido por qualquer outro processo que não seja feito por resfriamento contínuo do estado líquido, se refere ao material amorfo. É necessário lembrar que vidros e material amorfo são, ambos, não-cristalinos.

Vidros metálicos de grande volume são sólidos não cristalinos obtidos por resfriamento contínuo do estado líquido, que uma espessura de pelo menos alguns milímetros. Mais comumente, vidros metálicos com um diâmetro ou espessura de pelo menos 1mm são considerados de grande volume. Hoje em dia os pesquisadores tendem a considerar 10mm o diâmetro ou espessura que um vidro pode ser designado como de grande volume.

Características dos vidros metálicos de grande volume:

• O sistema de ligas tem que ter no mínimo 3 componentes, mais comumente é um número maior e isso porque são frequentemente referidos como sistemas de ligas multicomponentes. São reportados sistemas de ligas binarias. Mas, o diâmetro máximo do bastão que poderia ser obtido em uma condição vítrea é usualmente reportado ser de 1 ou 2mm. E nessas seções, é observada, frequentemente, uma pequena fração de volume de precipitados não-cristalinos dispersos na matriz vítrea.
• Pode ser produzido a baixas taxas de solidificação, tipicamente 103K/s ou menos.
• Vidros metálicos de grande volume exibem grandes diâmetros ou espessuras, um mínimo de 1mm. O maior diâmetro de um bastão de vidro metálico de grande volume produzido foi de 72mm em uma liga de Pd40Cu30Ni10P20.
• Exibem uma grande região de líquido super-resfriado. A diferença entre a temperatura de transição vítrea e a temperatura de cristalização é grande, usualmente uns 10°C, e o maior valor reportado está perto de 131K em uma liga de Pd43Cu27P20 (SURYANARAYANA, 2011).

Algumas composições apresentam boa resistência a corrosão. Essa característica é determinada pela composição, reatividade dos elementos constituintes, sua metaestabilidade termodinâmica e natureza monofásica ideal, química e estruturalmente homogênea. Como exemplo temos sistemas de vidros metálicos formados a base de Zr, Fe, Ni, Mg, Cu e Al, que obtiveram bons resultados em testes aquosos para diferentes tipos de pH (SCULLY J. R., 2007). Todavia, ligas amorfas à base de alumínio, titânio e magnésio têm sido utilizadas para tratamento de superfície em materiais cuja resistência à corrosão é baixa (KONDOH, 2008).  

Ligas amorfas à base de alumínio podem ser formadas pelo método convencional melt spinnig (TSAI, 1988). Para essas ligas a formação é favorecida por composições multicomponentes e com grandes diferenças em seus tamanhos atômicos (PEREPEZKO, 2002).

KONDOH, et. al., mostraram que a deposição de camadas finas de Zr-Al-Cu-Ni com composições variadas, em substrato de vidro, por Magnetron Sputtering, produziu estruturas amorfas (KONDOH, 2008). Outro estudo teve como objetivo produzir e caracterizar ligas amorfas de Al-Cu com alta tensão em razão do peso, para aplicações aeroespaciais (ADETUNJI, 2017).

Existem muitas formas de produzir vidros metálicos. Eles podem ser obtidos com uma fina espessura utilizando melt spinning (INOUE, 1990), com espessuras maiores através de forno a arco voltaico, amorfizadas em uma segunda etapa, com transição do estado líquido para o estado sólido amorfo (GROZA, 2019). Através da técnica de Magnetron Sputtering é possível a produção de uma fina camada de vidro metálico, onde os elementos passam ao estado sólido a partir do vapor (DUARTE, 2010), (LIU, 2017). Esta técnica, consiste na utilização de plasma, produzido com auxílio de tensão elevada o suficiente para ionizar o gás e permitir colisões entre partículas positivas e o alvo, depositando o material arrancado no substrato. Além disso, o campo magnético gerado aprisiona os elétrons próximo ao catodo e potencializa a ionização do gás (LIU, 2017), (HUGHES), (ORECI, 2016).

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