Implantação iônica por imersão em plasma de aço inox, PZT e polímeros para aplicação espacial

• Ano de defesa: 2016
• Autor(a) principal: Ataíde Ribeiro da Silva Júnior
• Orientador(a): Mario Ueda, José Osvaldo Rossi
• Banca de defesa: Luiz Angelo Berni, Rogério de Moraes Oliveira, Maria Margareth da Silva, Rodrigo Savio Pessoa
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: Plasma immersion ion implantation (PIII) in batch processing mode has been successfully tested using a pulser manufactured in Brazil. This type of treatment of several parts at the same time or batch processing is already used in other similar techniques of surface treatments as nitriding. PIII treatment of larger areas and on several pieces of significant mass showed that the uniformity of the treated parts can be a complicating factor. The power requirement for the pulser may be too high to maintain good uniformity in batch processing. To minimize the effect of the limited power of the pulser, a hot filament belt is implemented as a source of electrons next to the parts during PIII glow discharge process, improving reasonably the uniformity of the treated parts. Another technique using a tubular support as a plasma source was also tested and successfully implemented. This technique allows to confine the plasma, using effect similar to the hollow cathode plasma and to increase the density, hence enabling excellent results of nitrogen PIII on stainless steel parts. Furthermore, this new technique developed allows treating only the part that requires modification by PIII, optimizing the process. In parallel, parts that cannot undergo much heating therefore need higher energy implantation, as no thermal diffusion occurs in the process, and were tested using a Blumlein pulser type. For this, a redesign of a Blumlein pulser was performed to change its output voltage from 120 kV (nominal) to less than 30 kV. On the other hand, there was an increasing in the pulse duration from 1.0 μs to about 5.0 μs. The pulse duration greater than 1 μs allows a greater fraction of the ions to reach the highest energetic potential possible, increasing the efficiency of the implantation on surfaces of materials and reducing the total time required by the process. In this system, electronic components were treated to use in nonlinear transmission lines (LTNL). PZT was treated to improve adhesion of the silver film used as electrode during the welding process. The PIII treatment improved anchoring of the film to the substrate and reduced the thermal shock effect, allowing soldering of the component in the LTNL circuit board. Polymeric dielectric samples (UHMWPE and PMMA) have been treated by PIII in batch mode to improve the surface resistance to the electrical discharges. The changes on the polymer chains after treatment increased the surface roughness and modified the characteristics of surface energy and wettability of the material. As a result, the surface electrical properties of the polymer were also improved.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2016/08.19.19.41

O processamento de Implantação Iônica por Imersão em Plasma (3IP) no modo de lote foi testado com sucesso utilizando um pulsador fabricado no Brasil. Este tipo de tratamento de várias peças ao mesmo tempo ou em lote já foi usado em outras técnicas de tratamento de superfícies semelhantes como a nitretação. O tratamento 3IP em lote com área e massa significativas mostrou que a uniformidade do tratamento pode ser um complicador e este tipo de tratamento tem sido necessário para que se possa qualificar peças com aplicação espacial. A potência requerida do pulsador ou da fonte de plasma pode ser muito alta para se manter uma boa uniformidade no tratamento em lote. Para minimizar tal requerimento de potência, foi implementado um cinturão de filamento quente como fonte de elétrons próximo das peças no processo 3IP por descarga luminescente, melhorando a uniformidade do tratamento das peças de forma satisfatória. Outra técnica usando um suporte tubular como fonte de plasma também foi testada e implementada com sucesso. Esta técnica concentra o plasma, usando efeito semelhante ao do catodo oco, reduzindo o efeito da potência limitada e permitindo excelentes resultados de 3IP de nitrogênio em peças de aço inox. A nova técnica desenvolvida, permite ainda tratar somente a parte que requer a modificação por 3IP, otimizando o processo. Em paralelo, peças que não podem sofrer grandes aquecimentos e por isso precisam de alta energia de implantação, pois não dispõe de difusão térmica no processo devido à baixa temperatura alcançada, foram testadas usando um pulsador do tipo Blumlein. Para isso, uma reformulação do pulsador Blumlein já existente foi realizada para alterar a tensão de 120 kV (nominal) de saída para menos de 30 kV, permitindo deste modo aumentar a duração do pulso de 1,0 µs para cerca de 5,0 µs. A duração do pulso maior que 1 µs possibilita que uma maior fração dos íons alcancem o mais alto potencial enérgico possível de implantação, aumentando a eficiência da implantação nas superfícies dos materiais e reduzindo o tempo de tratamento total necessário. Neste sistema, foram tratados componentes eletrônicos do tipo PZT no modo lote para uso em linhas de transmissão não linear (LTNL). O PZT foi tratado para corrigir um problema de adesão do filme de prata usado como eletrodo em suas faces e que delaminava durante o processo de soldagem. O tratamento 3IP melhorou a ancoragem do filme ao substrato e reduziu o efeito do choque térmico, permitindo a soldagem correta do componente na placa de circuito da LTNL. Dielétricos poliméricos (UHMPE e PMMA) também foram tratados por 3IP no modo lote para melhorar a resistência superficial à descarga elétrica. As alterações provocadas nas cadeias dos polímeros aumentaram a rugosidade e alteraram as características de energia superficial e molhabilidade do material. Como consequência, as propriedades elétricas superficiais também foram alteradas de maneira positiva.