Thermally Sprayed Polymer Coating in Arctic Environments

Jäätyminen aiheuttaa ongelmia erityisesti pohjoisilla alueilla, vuoristoissa sekä ilmailussa. Jään kertyminen lentokoneiden rakenteisiin voi aiheuttaa onnettomuuksia, joissa menetetään useita ihmishenkiä. Jäätymistä pyritään estämään aktiivisesti jäänestoaineilla, kappaletta lämmittämällä tai mekaanisesti jäätä poistamalla, jolloin ympäristö kuormittuu kemikaalien ja energiankulutuksen takia. Jään kertyminen on mahdollista estää myös passiivisesti sellaisten pinnoitteiden avulla, joista jää irtoaa helposti tai joihin jää ei pääse kerääntymään ollenkaan. Polymeerien terminen ruiskutus voisi olla yksi vaihtoehto matalan jäänadheesion pinnoitteiden tuottamisessa. Polymeerien termisen ruiskutuksen ongelmana on polymeerien matala sulamislämpötila ja lasisiirtymälämpötila, joiden takia termisen ruiskutuksen lämpötilaikkuna on pieni verrattuna metalleihin ja keraameihin. Polymeereille yleisin termisen ruiskutuksen menetelmä on liekkiruiskutus, sillä siinä käytettävät lämpötilat ovat plasmaruiskutusta ja suurnopeusliekkiruiskutusta matalammat. Pinnoite muodostuu osittain tai kokonaan sulaneiden partikkelien muokkautuessa voimakkaasti niiden iskeytyessä pinnoitettavaan pintaan. Tässä työssä tutkittiin termisesti ruiskutetun polyeteenin (PE), fluorinoidun etyleenipropyleenin (Feb) sekä PE:hen sekoitettujen mangaanisulfidin (MnS) ja molybdeenisulfidin (MoS2) käyttäytymistä arktisissa olosuhteissa. Näytteet valmistettiin ja testattiin Tampereen teknillisen yliopiston tiloissa. Testattaville pinnoitteille mitattiin vedellä kontaktikulmat sekä ennen että jälkeen jäädytyskokeiden. Koska kontaktikulmat eivät huomattavasti muuttuneet, voitiin päätellä, että kyseiset pinnoitteet sietivät kylmiä olosuhteita hyvin. Näytteille ei saatu mitattua selkeitä jäänadheesioarvoja, vaikka näytteet mitattiin kahteen kertaan. Ensimmäisellä mittauskerralla osassa näytteistä jäätymisen epäiltiin tapahtuneen metallisubstraatissa, koska tulokset olivat hyvin korkeita. Toisella mittauskerralla jäädytyslaitteistossa ilmeni odottamattomia ongelmia ja tulokset olivat hyvin matalia. Tämän työn perusteella voidaan siis päätellä, että termisesti ruiskutetut muovipinnoitteet soveltuvat kylmien olosuhteiden sovelluksiin, ja että jäätyyppi vaikuttaa suuresti pinnoitteen jäänadheesioon

High-fidelity patterning of AlN and ScAlN thin films with wet chemicaletching

We report on the anisotropic wet etching of sputtered AlN and Sc0.2Al0.8 N thin films. With tetramethyl ammonium hydroxide at 80 degrees C, the etch rates along the c-axis were 330 and 30 nm/s for AlN and Sc0.2Al0.8N, respectively. Although the etching was anisotropic, significant lateral etching below the mask occurred, perpendicular to the c-axis. With a 1 mu m Sc0.2Al0.8 N film, it could be up to 1800 nm. We studied the lateral etching with molybdenum, SiO2, SiNx and TiO2 masks, and found the leading cause for the lateral etching to be modification of the AlN or Sc0.2Al0.8 N surface caused by ion bombardment and surface oxidation by ambient air. The lateral etching was reduced by optimizing the mask deposition and with thermal annealing. With Sc0.2Al0.8 N, the lateral etching was reduced down to 35-220 nm depending on the mask, while with AlN, it was reduced to negligible. These results can be used for developing optimised mask deposition processes for better etch characteristics and for microfabrication of AlN and ScxAl1-xN thin-film structures.Peer reviewe

Magnetron Sputtered Scandium Doped Aluminium Nitride Thin Films with High Scandium Content : Structure and Piezoelectric Properties

The topic of this master’s thesis is to investigate how the piezoelectric properties of magnetron co-sputtered ScAlN thin films are affected by the Sc content and sputtering process. Piezoelectric thin-film materials have become an important part of everyday life as they are used in several components e.g., in mobile phones, smart watches and in steering systems in the automotive industry. Aluminium nitride (AlN) is one of the most common piezoelectric materials used in surface, bulk acoustic wave devices such as filters and resonators and piezo-driven MEMS (microelectro-mechanical systems). During recent years scandium (Sc) doped AlN thin films (ScAlN) have gained much interest due to their enhanced piezoelectric properties as compared to pure AlN. The piezoelectric coefficients increase until the polar wurtzite crystal structure turns into a non-polar cubic structure above around 42% Sc content. ScAlN is typically deposited by a magnetron sputtering process, which is close to the well-established AlN process. In this thesis work reactive magnetron co-sputtering from Sc and Al targets was used in order to grow ScAlN thin films with different Sc content. It was investigated and confirmed that the Sc content depends linearly only on the target power ratio, independent from the total power. However, adding Sc into columnar, c-axis oriented AlN can lead to abnormally oriented grain (AOG) growth, which disturbs the piezoelectric properties. Those grains exhibit the correct wurtzite microstructure but their polar c-axis is slightly misoriented. The amount of AOGs is more pronounced when the Sc content increases and the film stress increases towards tensile. However, it was found that at a specific Sc content, the amount of AOG growth depends also on the absolute Sc sputtering power which can be adjusted. To evaluate the effect of the Molybdenum (Mo) bottom electrode (BE) quality on the co-sputtered ScAlN film growth, the ScAlN films were grown on Mo BEs of different thickness. The ScAlN films had less AOGs on thinner Mo BE, and thus 100–150 nm BE thicknesses were selected for following experiments. The highest Sc content of the ScAlN thin films deposited was measured as 33.5%. The transversal piezoelectric coefficient e31,f of co-sputtered ScAlN films were measured with a piezo-cantilever test set-up. This experiment showed that during piezoelectric thin-film process development it is important to measure not only the thin-film structure, but also the piezoelectric response of the film across the wafer. At some wafer positions no piezoelectric response was detected, which was not evident when looking only at the film microstructure. The highest value was determined to −2.4 C/m2 for a ScAlN film with 33.5% Sc content. This is 2.6 times higher than e31,f for measured reference AlN, and well-aligned with theoretical curve and literature values. The result of this work is a good foundation for future improvementTämän diplomityön aiheena on pietsosähköisten alumiininitridiohutkalvojen seostaminen korkealla skandiumpitoisuudella. Mobiili- ja älylaitteiden yleistyessä pietsosähköiset materiaalit ovat merkittävä osa monen jokapäiväisestä elämää. Pietsosähköisiä komponentteja käytetään esimerkiksi mobiililaitteissa, älykelloissa ja autojen ohjausjärjestelmissä. Alumiininitridi (AlN) on esimerkki materiaalista, jota käytetään yleisesti mm. radiotaajuusvastaanottimissa, mikromekaanisissa antureissa, mikrofoneissa ja ajastinpiirien resonaattoreissa. AlN-ohutkalvojen skandiumseostus on viime vuosina herättänyt laajaa kiinnostusta, sillä niiden pietsosähköiset ominaisuudet ovat paremmat kuin alumiininitridillä. On havaittu, että pietsosähköiset ominaisuudet paranevat kunnes skandiumalumiininitridin (ScAlN) wurtziitti-kiderakenne muuttuu kuutiolliseksi noin 42 % skandiumpitoisuudella, jolla tarkoitetaan metallisuhdetta Sc/(Sc+Al). AlN-ohutkalvot kasvatetaan yleensä magnetronisputteroinnilla, joka soveltuu myös ScAlN ohutkalvojen kasvatukseen. Tämän diplomityön seostetut ohutkalvot sputteroitiin kahdesta kohtiosta samanaikaisesti. Kohtioiden tehosuhdetta säätämällä kalvon skandiumpitoisuutta voitiin muuttaa. Diplomityössä todetaan, että skandiumpitoisuus riippuu lineaarisesti kohtioiden tehosuhteesta riippumattakokonaistehosta. Seostus aiheuttaa kuitenkin lisääntynyttä epänormaalia rakeen muodostumista, jonka seurauksena osa kiteistä kasvaa vinosti muun kalvon pylväsmäiseen kasvuun nähden. Näitä vikakiteitä ilmenee jo matalalla skandiumpitoisuudelle ja niiden määrä kasvaa pitoisuuden kasvaessa. Vikakiteet vaikuttavat ohutkalvon kokonaispietsosähköisyyteen ja siksi niiden määrä on tärkeää minimoida. Vikakiteiden määrän todettiin olevan sitä pienempi, mitä pienempi oli kohtioiden yhteenlaskettu kokonaisteho ja mitä enemmän kalvojännitys oli puristuksen puolella. ScAlN-ohutkalvot kasvatettiin pohjaelektrodille, jonka materiaalina käytettiin sputteroitua molybdeenia. Pohjaelektrodin paksuuden vaikutusta tutkittiin kasvattamalla ScAlN-ohutkalvo eri paksuisille pohjaeletrodeille. Koska ohuimmat, 100–150 nm paksut pohjaelektrodit tuottivat vähiten vikakiteitä, valittiin nämä tulevien pohjaelektrodin paksuudeksi. Korkein saavutettu skandiumpitoisuus oli tässä työssä 33,5 %. Ohutkalvojen pietsosähköisiä ominaisuuksia määritettiin mittaamalla elektrodi-skandiumalumiininitridi-elektrodiaktuaattorilla päällystetyn piipalkin taipumaa aktuaattorin jännitteen funktiona. Tämän avulla voidaan laskea taipumavoiman määrittävä pietsosähköinen jännityskerroin e31,f . Lisäksi huomattiin, että pietsosähköistä vastetta ei aina ollut koko ohutkalvon laajuudella hyvästä mikrorakenteesta huolimatta. Tästä pääteltiin, että vaste on syytä mitata ohutkalvon kehitysvaiheessa sen toimivuuden tarkistamiseksi. Tässä työssä mitattu korkein arvo oli −2,4 C/m2, joka mitattiin 33,5 % skandiumpitoisuudella seostetuille alumiininitridiohutkalvoille. Tämä arvo on 2,6 kertaa korkeampi kuin verrokkinäytteinä olleille seostamattomille alumiininitridinäytteille. Tulos on hyvä pohja jatkotutkimuksille

Thermally Sprayed Polymer Coating in Arctic Environments

Jäätyminen aiheuttaa ongelmia erityisesti pohjoisilla alueilla, vuoristoissa sekä ilmailussa. Jään kertyminen lentokoneiden rakenteisiin voi aiheuttaa onnettomuuksia, joissa menetetään useita ihmishenkiä. Jäätymistä pyritään estämään aktiivisesti jäänestoaineilla, kappaletta lämmittämällä tai mekaanisesti jäätä poistamalla, jolloin ympäristö kuormittuu kemikaalien ja energiankulutuksen takia. Jään kertyminen on mahdollista estää myös passiivisesti sellaisten pinnoitteiden avulla, joista jää irtoaa helposti tai joihin jää ei pääse kerääntymään ollenkaan. Polymeerien terminen ruiskutus voisi olla yksi vaihtoehto matalan jäänadheesion pinnoitteiden tuottamisessa. Polymeerien termisen ruiskutuksen ongelmana on polymeerien matala sulamislämpötila ja lasisiirtymälämpötila, joiden takia termisen ruiskutuksen lämpötilaikkuna on pieni verrattuna metalleihin ja keraameihin. Polymeereille yleisin termisen ruiskutuksen menetelmä on liekkiruiskutus, sillä siinä käytettävät lämpötilat ovat plasmaruiskutusta ja suurnopeusliekkiruiskutusta matalammat. Pinnoite muodostuu osittain tai kokonaan sulaneiden partikkelien muokkautuessa voimakkaasti niiden iskeytyessä pinnoitettavaan pintaan. Tässä työssä tutkittiin termisesti ruiskutetun polyeteenin (PE), fluorinoidun etyleenipropyleenin (Feb) sekä PE:hen sekoitettujen mangaanisulfidin (MnS) ja molybdeenisulfidin (MoS2) käyttäytymistä arktisissa olosuhteissa. Näytteet valmistettiin ja testattiin Tampereen teknillisen yliopiston tiloissa. Testattaville pinnoitteille mitattiin vedellä kontaktikulmat sekä ennen että jälkeen jäädytyskokeiden. Koska kontaktikulmat eivät huomattavasti muuttuneet, voitiin päätellä, että kyseiset pinnoitteet sietivät kylmiä olosuhteita hyvin. Näytteille ei saatu mitattua selkeitä jäänadheesioarvoja, vaikka näytteet mitattiin kahteen kertaan. Ensimmäisellä mittauskerralla osassa näytteistä jäätymisen epäiltiin tapahtuneen metallisubstraatissa, koska tulokset olivat hyvin korkeita. Toisella mittauskerralla jäädytyslaitteistossa ilmeni odottamattomia ongelmia ja tulokset olivat hyvin matalia. Tämän työn perusteella voidaan siis päätellä, että termisesti ruiskutetut muovipinnoitteet soveltuvat kylmien olosuhteiden sovelluksiin, ja että jäätyyppi vaikuttaa suuresti pinnoitteen jäänadheesioon

Thermally sprayed coatings - Novel surface engineering strategy towards icephobic solutions

Surface engineering promotes possibilities to develop sustainable solutions to icing challenges. Durable icephobic solutions are under high interest because the functionality of many surfaces can be limited both over time and in icing conditions. To solve this, one potential approach is to use thermally sprayed polymer or composite coatings with multifunctional properties as a novel surface design method. In thermal spraying, coating materials and structures can be tailored in order to achieve different surface properties, e.g., wetting performance, roughness and protection against several weathering and wearing conditions. These, in turn, are beneficial for excellent icephobic performance and surface durability. The icephobicity of several different surfaces are tested in our icing wind tunnel (IWiT). Here, mixed-glaze ice is accreted from supercooled water droplets and the ice adhesion is measured using a centrifugal adhesion tester (CAT). The present study focuses on the icephobicity of thermally sprayed coatings. In addition, surface-related properties are evaluated in order to illustrate the correlation between the icephobic performance and the surface properties of differently tailored thermally sprayed coatings as well as compared those to other coatings and surfaces.publishedVersionPeer reviewe

Benefits of Hydrogen in a Segmented-Anode Plasma Torch in Suspension Plasma Spraying

International audienceAbstract Suspension plasma spraying (SPS) enables the production of various coating microstructures with unique mechanical and thermal properties. Aeronautical manufacturers have been working for fifty years to improve the thermal barrier coating (TBC) performances in gas turbines. Commercial plasma torches with a segmented anode that are characterized by stable plasma jets should enable a better control of the TBC microstructure. The addition of diatomic gases such as hydrogen in the plasma-forming gas affects the plasma jet formation and causes some instabilities. However, it enhances the thermal conductivity of the gas flow, the plasma mass enthalpy and the heat transfer to particles. This study aims to characterise and describe the coating microstructure changes of yttria-stabilised zirconia when gradually adding hydrogen with argon into the plasma gas mixture. The effect of hydrogen is weighted out due to the gas mass enthalpy, mean velocity at the nozzle exit and “hot zone” length of the plasma jet. The coating microstructures, which depend on these plasma jet parameters, will be mapped from feathery and porous to dense and cracked deposits depending on the spraying conditions