I film sottili sono strati sottili di materiali con uno spessore che solitamente varia tra alcuni nanometri (10-9 m) e diversi micrometri (10-6 m). Per avere un riferimento, un capello umano ha uno spessore tipico che va dai 40 ai 60 micrometri.
Nonostante il loro spessore ridottissimo, vengono utilizzati efficacemente dall’industria per proteggere i metalli dalla corrosione. Questo aiuta le parti metalliche – e, infine, i prodotti realizzati con tali parti – a durare più a lungo quando esposti a condizioni ambientali avverse.
Il processo di applicazione di film sottili sulla superficie di materie prime e componenti finiti è noto come “deposizione di film sottili“. Ad esempio, un’applicazione tipica dei film sottili si vede negli specchi domestici, dove un sottile strato di metallo depositato dietro una lastra di vetro la rende eccezionalmente riflettente. I film sottili hanno trovato utilità anche in molte altre applicazioni della vita comune. Ad esempio, sono usati per migliorare le proprietà ottiche di occhiali e lenti fotografiche; offrono protezione dall’usura e fascino estetico a pomelli e maniglie; forniscono finitura e durata ai componenti automobilistici, ecc. Inoltre, le applicazioni dei film sottili spaziano anche in una vasta gamma di applicazioni industriali: si pensi, ad esempio, al loro utilizzo nei dispositivi a semiconduttore, nelle telecomunicazioni, nei display a cristalli liquidi e OLED, nei sistemi audio e video, nei compact disc, nelle celle solari, nei LED, nei condensatori multistrato, nelle applicazioni aerospaziali e militari.
La deposizione di film sottili può essere eseguita in una camera a vuoto, o utilizzando altre tecnologie come il rivestimento a spruzzo (spray coating), il rivestimento per immersione (dip coating), la deposizione galvanica, ecc. Questo argomento verrà trattato più in dettaglio in un prossimo articolo, con particolare riferimento alle tecnologie di deposizione sottovuoto.
Tipi di metallo e loro vulnerabilità alla corrosione
La corrosione è il fenomeno che consiste nella perdita di materiale, solitamente dalla superficie di un metallo o di una lega, derivante dalla formazione di ossidi in presenza di particolari condizioni ambientali come l’umidità o le temperature elevate. Un esempio comune è la formazione di ruggine sulla superficie dell’acciaio, dovuta alla presenza di acqua. Esistono molte forme possibili di corrosione ben documentate in letteratura. Solitamente vengono classificate considerando sia il processo di corrosione sottostante, sia il particolare metallo o lega che può esserne potenzialmente colpito.
Ecco alcuni esempi di metalli/leghe utilizzati dall’industria e il relativo processo di corrosione che potrebbe eventualmente verificarsi.
| Tipo di metallo | Tipo di corrosione |
|---|---|
| Acciaio e acciaio inossidabile | Galvanica: normale corrosione uniforme, corrosione interstiziale, pitting (vaiolatura), tensocorrosione (stress corrosion cracking), fatica da corrosione, ecc. Corrosione a caldo. |
| Leghe di alluminio | Galvanica: pitting, normale corrosione uniforme, corrosione interstiziale, ecc. |
| Leghe di rame | Galvanica: attacco uniforme e ossidazione superficiale (tarnishing). |
| Ottone | Galvanica: attacco uniforme, corrosione sotto sforzo, dezincificazione. |
Tutte queste possibili forme di danno corrosivo possono potenzialmente portare a una perdita di integrità meccanica e/o a un deterioramento estetico delle parti e dei prodotti interessati. Gli effetti della corrosione sulla nostra vita quotidiana sono enormi. Ad esempio, la durata della maggior parte degli utensili e degli elettrodomestici da cucina fatti di metallo si accorcia, i ponti possono persino crollare a causa di problemi di corrosione, portando alla perdita di vite umane e proprietà , influenzando di conseguenza anche l’economia del paese, ecc. Questo, a sua volta, corrisponde a una perdita di denaro che è stata valutata globalmente in diverse migliaia di miliardi di $ all’anno.
La prevenzione è il modo migliore per far durare i metalli più a lungo una volta esposti al loro ambiente operativo.
Inoltre, va considerato un ulteriore fattore importante: grazie alla bassa quantità di materiale protettivo utilizzato e al continuo sviluppo di migliori tecnologie di deposizione dei rivestimenti, l’uso dei film sottili è una tecnologia ecologica per proteggere i materiali dalla corrosione in modo sostenibile.
Il ruolo dei film sottili nella protezione dalla corrosione
La corrosione può avvenire sulla superficie di un materiale metallico se sono presenti alcune condizioni ambientali. La corrosione a umido, che solitamente agisce a basse temperature, richiede la presenza di acqua a contatto con la superficie metallica nuda. La corrosione a caldo, che agisce a temperature elevate, richiede che l’ossigeno, o altri materiali ossidanti, siano a contatto con il metallo. Pertanto, una delle possibili strategie per prevenire o rallentare la corrosione a un ritmo accettabile è quella di tenere, rispettivamente, l’acqua o l’ossigeno fuori dalla portata delle parti sensibili.
È qui che entrano in gioco i film sottili per quanto riguarda la protezione dalla corrosione. Anche se esistono molte altre tecnologie che possono essere utilizzate per lo stesso scopo (verniciatura, uso di inibitori, protezione attiva, ecc.), l’uso di film sottili per la protezione dalla corrosione è una delle strategie più versatili, economiche ed efficaci offerte oggi dal mercato.
In parole povere, la funzione dei film sottili in questo contesto è quella di fornire una barriera protettiva per il materiale dal suo ambiente immediato.
Per fare ciò, il film sottile deve essere in grado di resistere alla penetrazione delle sostanze liquide e/o gassose sopra citate, che possono causare corrosione e che possono eventualmente venire a contatto con la parte esposta. Il film sottile protettivo deve essere in grado di espandersi e contrarsi con la superficie metallica rivestita senza incrinarsi, e possibilmente mantenendo il suo aspetto estetico per un tempo molto lungo per fornire la massima protezione mantenendo il prodotto gradevole. Per soddisfare questi requisiti, è stata sviluppata una vasta gamma di rivestimenti a film sottile e tecnologie di deposizione, che vanno dal comune processo di zincatura utilizzato per i componenti di carpenteria, ai rivestimenti anti-ossidazione utilizzati nell’industria della gioielleria, fino ai rivestimenti ceramici multistrato di fascia alta utilizzati per prevenire la corrosione a caldo nelle parti metalliche esposte ad alte temperature nelle turbine a gas. In alcune applicazioni, può essere consigliata anche una protezione con film sottile organico (verniciatura): questa strategia ha una lunga e fortunata storia di applicazione nel mercato automobilistico. In generale, e indipendentemente dalla specifica implementazione e dal processo di deposizione utilizzato, l’applicazione di film sottili per prevenire la corrosione comporta solitamente l’uso di un primer – o strato di adesione -, uno o più strati intermedi e un top coat. Il materiale da rivestire deve essere pulito e pre-trattato per migliorare l’adesione degli altri rivestimenti, dopodiché il primer viene applicato al materiale. Il primer aiuta a migliorare l’adesione degli altri strati e fornisce una forte resistenza alla corrosione. Il primer è lo strato su cui verranno applicati gli strati intermedi. Il primer deve essere in grado di proteggere la superficie del materiale per diversi giorni prima dell’applicazione dei top coat, poiché contiene sostanze inibitrici e pigmenti.
Lo strato intermedio viene applicato sopra lo strato di primer. La funzione principale degli strati intermedi è quella di aumentare lo spessore del sistema di rivestimento e impedire la percolazione e/o la diffusione di elementi corrosivi dall’ambiente esterno al materiale di base.
Lo strato finale applicato al materiale è chiamato top coat. È lo strato che è sempre a contatto con l’ambiente esterno. Spesso, al top coat è richiesto di avere un aspetto ben definito (ad esempio lucido, opaco), deve essere abbastanza resistente da prevenire l’usura degli strati protettivi sottostanti e fungere da ulteriore barriera contro l’infiltrazione di sostanze pericolose verso il substrato metallico.
Possono essere utilizzate anche altre combinazioni di strati protettivi a seconda delle situazioni corrosive e dei requisiti specifici di protezione (ad esempio le caratteristiche dell’ambiente in cui opererà la parte, la durata prevista del componente, ecc.). Una combinazione più semplice di soli due strati, o anche un rivestimento a strato singolo, può essere adeguata in alcune situazioni. Queste soluzioni sono solitamente più facili da produrre e meno costose, e quindi piuttosto comuni.
Conclusione
L’uso di rivestimenti a film sottile è un modo molto significativo ed efficace per prevenire la corrosione. Le loro applicazioni e la loro influenza nella nostra vita quotidiana sono molto preziose e innumerevoli. I materiali devono essere protetti dalla corrosione per aumentare la loro durata e il loro valore, e anche per salvaguardare vite e proprietà . Esistono molti tipi di rivestimenti protettivi basati sulle tecnologie a film sottile e una grande varietà di processi di deposizione, che verranno discussi più in dettaglio nei futuri articoli di questa serie.