Surface Modification of Ceramics

Ceramics are widely used in industrial applications due to their advantageous thermal and mechanical stability. Corrosion of ceramics is a great problem resulting in significant costs. Coating is one method of reducing adversities of corrosion. There are several different thin film deposition processes available such as sol-gel, Physical and Chemical Vapour Deposition (PVD and CVD). One of the CVD processes, called Atomic Layer Deposition (ALD) stands out for its excellent controllability, accuracy and wide process capability. The most commonly mentioned disadvantage of this method is its slowness which is partly compensated by its capability of processing large areas at once. Several factors affect the ALD process. Such factors include temperature, the grade of precursors, pulse-purge times and flux of precursors as well as the substrate used. Wrongly chosen process factors may cause loss of self-limiting growth and thus, non-uniformities in the deposited film. Porous substrates require longer pulse times than flat surfaces. The goal of this thesis was to examine the effects of ALD films on surface properties of a porous ceramic material. The analyses applied were for permeability, bubble point pressure and isoelectric point. In addition, effects of the films on corrosion resistance of the substrate in aqueous environment were investigated. After being exposured to different corrosive media the ceramics and liquid samples collected were analysed both mechanically and chemically. Visual and contentual differences between the exposed and coated ceramics versus the untreated and uncoated ones were analysed by scanning electron microscope. Two ALD film materials, dialuminium trioxide and titanium dioxide were deposited on the ceramic substrate using different pulse times. The results of both film materials indicated that surface properties of the ceramic material can be modified to some extent by the ALD method. The effect of the titanium oxide film on the corrosion resistance of the ceramic samples was observed to be fairly small regardless of the pulse time.

Keraamisten materiaaleja käytetään laajasti teollisissa sovelluksissa niiden hyvän lämmön- ja mekaanisen kestävyyden vuoksi. Keraamien korroosio on suuri ongelma aiheuttaen merkittävästi kuluja. Päällystäminen on yksi keino vähentää korroosion haittoja. On olemassa useita eri ohutfilmipäällystysprosesseja, kuten sol-gel sekä fyysinen ja kemiallinen höyrypäällystys (PVD ja CVD). Kemiallisista päällystysmenetelmistä atomikerrospäällystys (ALD) erottuu sen erinomaisen ohjattavuuden, tarkkuuden ja useiden käyttömahdollisuuksien vuoksi. ALD menetelmälle useimmiten mainittu haitta on sen hitaus, jota kompensoi sen kyky päällystää suuria pinta-aloja kerralla. ALD prosessiin vaikuttavat monet tekijät kuten lämpötila, prekursorien laatu ja niiden vuo sekä altistus-huuhteluajat ja käytetty substraatti. Väärät prosessitekijät saattavat aiheuttaa itserajoittavan kasvun mekanismin menetyksen ja näin ollen aiheuttaa epäyhteneväisyyksiä filmiin. Huokoiset substraatit vaativat tasaisia pintoja pidemmän altistusajan. Tehtävänä oli tarkastella atomikerrospäällysteiden vaikutusta huokoisen keraamin pintaominaisuuksiin mittaamalla näytteen läpäisevyys, kuplapistepaine ja isoelektrinen piste. Lisäksi tutkittiin ALD filmin vaikutusta keraamin korroosiokestävyyteen vesiympäristössä. Erilaisille korroosioliuoksille altistamisen jälkeen keraamit ja päivittäin otetut liuosnäytteet analysoitiin mekaanisesti ja kemiallisesti. Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tarkasteltiin altistettujen ja päällystettyjen mahdollisia visuaalisia ja sisällöllisiä eroja päällystämättömiin ja käsittelemättömiin näytteisiin verrattuna. Keraami päällystettiin käyttämällä kahta eri ALD materiaalia, dialumiinitrioksidia ja titaanidioksidia, sekä kahta eri altistusaikaa. Molempien filmimateriaalien tulokset osoittivat, että ALD menetelmällä voitiin jossakin määrin muokata keraamisen materiaalin pintaominaisuuksia. Huolimatta käytetystä altistusajasta, titaanidioksidin vaikutus keraamin korroosiokestävyyteen havaittiin olevan varsin vähäinen.