La diversidad del carbono en la naturaleza y en los materiales producidos técnicamente se corresponde con su amplia gama de aplicaciones. Las modificaciones incluyen las formas cristalinas grafito, diamante y grafeno, así como el carbono amorfo (también conocido como carbono diamante-like, DLC). Las finas capas de carbono en forma de capas amorfas con alta microdureza reducen la fricción y el desgaste, por ejemplo en herramientas de corte, instrumentos médicos, implantes, componentes industriales como pistones y ruedas dentadas o componentes de relojes [1]. Una visión general de los proyectos y eventos actuales organizados por la Sociedad Europea de Investigación de Películas Finas EFDS.
Capas de carbono: estructuras fundamentalmente diferentes para una amplia gama de aplicaciones
En comparación con los recubrimientos amorfos, los recubrimientos de diamante por deposición química en fase vapor (CVD) cristalinos presentan una dureza y una resistencia al desgaste notablemente superiores. Gracias a las altas temperaturas de deposición, se consigue una mejor adherencia a los sustratos. Sin embargo, no todos los materiales pueden recubrirse con recubrimientos de diamante, ya que las altas temperaturas del proceso limitan la gama de materiales que pueden recubrirse. Sin embargo, los resultados de las investigaciones actuales en este campo también muestran cómo las superficies microestructuradas pueden abrir nuevas posibilidades de aplicación para el recubrimiento de diamante CVD.
Los grafenos son otro ejemplo de modificación del carbono. Las propiedades especiales de este material, como su resistencia a la tracción extraordinariamente alta, su elevado módulo de elasticidad y sus propiedades eléctricas, permiten una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo en tecnología energética.
La Sociedad Europea de Investigación de Películas Finas - EFDS - e. V., con sede en Dresde, apoya a investigadores y usuarios en su investigación y desarrollo actuales en este campo. Los temas de investigación se presentan y debaten en actos especializados. Éstos proporcionan una muy buena visión general de los desarrollos innovadores y del estado de la técnica. Expertos e interesados se reúnen aquí para debatir sus dudas. Los temas de investigación se debaten en los comités especializados de la EFDS y se organizan para la industria en proyectos de la Investigación Colectiva Industrial IGF. Los resultados de la investigación se presentan en conferencias internacionales como V2023 (18-21 de septiembre) o PSE2024. En ellas, expertos y usuarios pueden intercambiar información sobre soluciones de recubrimiento, debatir oportunidades e iniciar nuevas colaboraciones en un ambiente abierto.
Recubrimientos de diamante CVD sobre caras de juntas de acero Investigación actual del Comité Técnico de Sistemas Tribológicos de la EFDS
Los recubrimientos de diamante se caracterizan por una gran dureza y resistencia al desgaste y a los productos químicos, y su uso se asocia a bajos coeficientes de fricción. Se diferencian de los recubrimientos de carbono amorfo en muchos aspectos. Los recubrimientos de diamante se producen, por ejemplo, por deposición química de vapor (CVD) a temperaturas de unos 800 °C. Hasta ahora, no ha sido posible aplicar recubrimientos de diamante CVD al acero, ya que el hierro del acero favorece la deposición de carbono grafítico y la gran diferencia de coeficiente de dilatación térmica entre el acero y el diamante provoca tensiones residuales de enfriamiento muy fuertes y, por tanto, la delaminación del recubrimiento. En el proyecto de investigación "Recubrimientos adhesivos de diamante CVD sobre superficies de juntas de acero", científicos de la Universidad Tecnológica de Chemnitz y la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg depositaron por primera vez con éxito un recubrimiento de diamante CVD de 15 μm de grosor sobre una superficie de acero microestructurada de forma determinista. La capa duró más de 120 km en mojado con una presión superficial nominal de 6,4 MPa y un coeficiente de fricción por deslizamiento inferior a 0,01 (Fig. 1).
Los anillos deslizantes se utilizan en cojinetes lisos, por ejemplo, para guiar un eje con baja fricción, o en cierres mecánicos. Estos últimos se utilizan para sellar casquillos de eje, por ejemplo en compresores. En los casquillos de fricción axiales, el anillo obturador giratorio se presiona contra el anillo estacionario. Esto da lugar a una zona de contacto de gran tensión mecánica entre las dos superficies de deslizamiento de la cara de la junta y el anillo de acoplamiento, que es crucial para el efecto de sellado. Los componentes fabricados con SiC, recubiertos adicionalmente con diamante CVD, se utilizan a veces en cierres mecánicos axiales para caras de cierre sometidas a cargas especialmente elevadas. Esto ofrece ventajas significativas, por ejemplo en comparación con los componentes de acero con revestimiento de DLC, que también se utilizan industrialmente. Sin embargo, los anillos deslizantes de SiC son muy susceptibles a la rotura y muy caros. Por ello, los recubrimientos de diamante CVD sobre acero están cobrando protagonismo.
Las fuertes tensiones residuales de compresión en la capa de diamante que se producen en el recubrimiento de diamante CVD del acero durante el enfriamiento pudieron reducirse localmente con superficies microestructuradas generadas mediante torneado por vibración ultrasónica superpuesta. De este modo, fue posible aumentar la fuerza adhesiva entre el sustrato y el recubrimiento mediante el diseño específico y la generación de la estructura fina durante el mecanizado final de las superficies funcionales.
En Alemania hay muchas PYME que fabrican anillos deslizantes especializados para regímenes de requisitos muy diferentes en producción individual o en pequeñas cantidades. Esta nueva tecnología interesa, por un lado, a las empresas especializadas en revestimientos industriales (en su mayoría PYME) y, por otro, a las grandes empresas que ya depositan o utilizan revestimientos DLC en componentes de acero en cantidades millonarias. Además, hay muchas PYME que fabrican anillos deslizantes de alto rendimiento, por ejemplo de SiC, en cantidades más pequeñas y, por tanto, pueden introducir esta nueva tecnología en el mercado [2].
Recubrimientos de DLC en tecnología médica
Los recubrimientos de carbono similares al diamante son otra forma de recubrimiento de carbono y se utilizan, por ejemplo, en la tecnología médica. Estos sistemas de recubrimiento se caracterizan sobre todo por sus propiedades tribológicas y químicas y permiten implantes con ciclos de vida largos, superficies biocompatibles y la prevención de la salida de componentes tóxicos del material base. Las propiedades específicas de los sistemas de capas dependen en gran medida de la tecnología de fabricación y de las condiciones de recubrimiento, que afectan a la estructura de las capas resultantes. Los recubrimientos de DLC tienen una estructura amorfa caracterizada por una mezcla de los denominados carbonos hibridadossp1-, sp2- y sp3. Las propiedades resultantes también varían en función de la composición de las fases. En este caso, los centros de carbono sp2 favorecen un bajo coeficiente de desgaste y una buena conductividad eléctrica del material, mientras que los átomos hibridados sp3 influyen positivamente en las propiedades de inercia química, dureza y protección contra el desgaste. Por consiguiente, la tecnología utilizada para producir el recubrimiento es decisiva para el producto resultante [3, 4].
Además, los recubrimientos de DLC pueden hacerse multifuncionales dopándolos con diversos elementos en lo que respecta a las propiedades relevantes desde el punto de vista industrial. La plata y el cobre pueden utilizarse para conseguir un efecto antibacteriano contra los microorganismos [3]. El silicio puede utilizarse para mejorar la adherencia y la estabilidad térmica de los revestimientos. El cromo y el titanio aumentan la resistencia a la corrosión y reducen las tensiones en los recubrimientos, lo que se traduce en una adhesión más fuerte y una mayor durabilidad del recubrimiento [5].
Los recubrimientos de DLC ya están establecidos comercialmente en la tecnología médica y diversas empresas los ofrecen en diferentes variantes. No obstante, existen numerosos enfoques para seguir desarrollando estos sistemas de recubrimiento.
Fig. 2: Taller "Implantes - Cuando la respuesta está en el recubrimiento" del 27 al 28 de febrero de 2024 en Tuttlingen
El grafeno en la microelectrónica y la tecnología energética
Durante décadas, la tendencia en microelectrónica y optoelectrónica ha sido hacia la miniaturización de estructuras, componentes y sistemas. El resultado son unas exigencias muy elevadas a las propiedades de los materiales utilizados y a la tecnología de procesos para la producción de los correspondientes grupos funcionales y su integración. Los componentes deben satisfacer elevadas exigencias de fiabilidad y rendimiento. Se utilizan tecnologías de fabricación innovadoras para crear productos energéticamente eficientes y sostenibles con mayor durabilidad y resistencia. Los nuevos sistemas de capas basados en el grafeno y los nanotubos de carbono (CNT), así como los sistemas de materiales modificados por dopaje, se consideran enfoques prometedores [6]. Los nuevos materiales deben integrarse en los sistemas existentes basados en el silicio. Esto plantea numerosos retos en cuanto a la complejidad de las tecnologías de integración de sistemas. También requieren procesos y sistemas innovadores.
Fig. 3: Taller "Thin film technologies | 2.5D materials for energy" en Eindhoven del 14 al 15 de noviembre de 2023
Uno de los retos reside en la integración de un gran número de componentes diferentes y el dominio tecnológico de los materiales. Esto requiere una cooperación interdisciplinaria entre la investigación de materiales, la investigación electrónica y los proveedores de equipos y sistemas de tecnología de capa fina para responder, por ejemplo, a las siguientes preguntas ¿Cómo pueden integrarse los nuevos materiales y tecnologías en los conceptos de componentes o cadenas de procesos existentes y qué interacciones se producen con otras fases del proceso? ¿Qué procesos de deposición pueden utilizarse para los materiales 2,5D y pueden ampliarse para la fabricación de productos semiconductores?
Bibliografía
[1] D.K. Rajak; A. Kumar; B. Ajit; P.L. Menezes: Diamond-Like Carbon (DLC) Coatings: Classifications, Properties, and Applications, Appl. Sci, 11, 2021, 4445, https://doi.org/10.3390/app11104445
[2] Informe final CVD diamond coatings on sliding rings made of steel, proyecto IGF 20584 BG, duración del proyecto: 01/07/2019 - 31/12/2021
[3] M. Birkett; A.W. Zia; D.K. Devarajan et al: Multifunctional bioactive silver- and copper-doped diamond-like carbon coatings for medical implants, Acta Biomaterialia, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.06.037
[4] K. Malisz; B. Swieczko-Zurek; A. Sionkowska: Preparation and Characterisation of Diamond-like Carbon Coatings for Biomedical Applications - A Review, Materials, 16, 2023, 3420, https://doi.org/10.3390/ma16093420
[5] Q. Wang; F. Zhou; Z. Zhou; C. Wang; L.K.-Y. Li; S.-T. Lee: Effect of Titanium or Chromium Content on the Electrochemical Properties of Amorphous Carbon Coatings in Simulated Body Fluid, Electrochim. Acta, 112, 2013, 603-611
[6] A.R. Urade; I. Lahiri; K.S. Suresh: Graphene Properties, Synthesis and Applications: A Review, JOM, 75, 2023, 614-630, https://doi.org/10.1007/s11837-022-05505-8
