CoverLogo (37)

วัสดุเคลือบแกรฟีนสุดแกร่ง

แกรฟีนถือเป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุดเท่าที่โลกเคยค้นพบ ด้วยคุณสมบัตินี้เอง อุตสาหกรรมที่มีความต้องการด้านวัสดุใหม่ที่มีความแข็งแรงสูง และน้ำหนักที่เบากว่าเดิมมากๆ จึงหันมาให้ความสนใจ และเป็นโจทย์ท้าทายนักวิจัยในการหาวิธีใช้และผสมผสาน วัสดุแกรฟีนนี้เข้ากับวัสดุโลหะที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน หากท่านผู้อ่านกำลังมองหาวิธีการ ผลิตวัสดุที่มีความแข็งแรง น้ำหนักเบา และทนทานต่อการกัดกร่อน ลองติดตามหาคำตอบจากบนความนี้กันเลย

ที่มาสำคัญในการทำโลหะสเตนเลสเคลือบแกรฟีน

ในยุคสมัยนี้โลหะสเตนเลสได้รับความนิยมอย่างมากเนื่องจากมีคุณสมบัติพิเศษหลายอย่าง เช่น มีความมันวาว สามารถทนต่อการกัดกร่อน สนิม และคราบสกปรกต่างๆได้มากกว่าเหล็กธรรมดาทั่วไป แต่เหล็กสเตนเลสก็ยังสามารถถูกกัดกร่อนได้ในบางสภาพแวดล้อม ความสามารถในการนำไฟฟ้าและความแข็งของพื้นผิวมีค่าไม่สูงมากนัก ทำให้การประยุกต์ใช้โลหะสเตนเลสยังอยู่ในวงจำกัด การปรับปรุงคุณสมบัติของพื้นผิวสเตนเลสให้นำไฟฟ้า ทนต่อการกัดกร่อนมีความแข็งแรงพื้นผิวมากขึ้น จึงเป็นแนวทางที่ได้รับความสนใจสูง เพื่อให้โลหะสเตนเลสสามารถประยุกต์กับงานวิศวกรรมได้กว้างขวางขึ้น การปลูกแกรฟีนบนแผ่นโลหะสเตนเลสด้วยวิธีการเคลือบผิวด้วยไอเคมี(chemical vapor deposition) ถือเป็นทางเลือกหนึ่งที่ดีเนื่องจากแกรฟีนเป็นวัสดุที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม ทนการกัดกร่อนได้ดีและมีความแข็งแรงสูงมาก อีกทั้งยังสามารถปลูกแกรฟีนโดยตรงบนแผ่นโลหะสเตนเลสได้ อย่างไรก็ตามการปลูกแกรฟีนเพื่อให้ได้แกรฟีนที่มีขนาดใหญ่ปกคลุมทั่วพื้นผิวโลหะสเตนเลสนั้นเป็นเรื่องที่ท้าท้ายเนื่องจากตัวแปรที่ส่งผลกระทบต่อลักษณะและคุณภาพของแกรฟีนที่ปลูกบนโลหะสเตนเลสนั้นมีจำนวนมาก ดังนั้นโครงการวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาการปลูกแกรฟีนบนแผ่นสเตนเลสเพื่อให้ได้แกรฟีนที่มีขนาดใหญ่ปกคลุมพื้นผิวเหล็กสเตนเลส โดยการปรับเปลี่ยนตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับการปลูกแกรฟีนให้เหมาะสม

ตัวแปรสำคัญในการเคลือบแกรฟีนบนเหล็กสเตนเลส

การศึกษาการสังเคราะห์แกรฟีนบนเหล็กสเตนเลสด้วยวิธีการเคลือบด้วยไอเคมี(chemical vapor deposition) พบว่าตัวแปรสำคัญที่ส่งผลต่อการปลูกแกรฟีน มีดังต่อไปนี้

• อุณหภูมิในการปลูกแกรฟีนบนแผ่นสเตนเลส จากผลการศึกษาพบว่าที่อุณหภูมิ 1000 0C มี
ปริมาณโลหะสูงมาก และไม่มีโลหะออกไซด์ปนอยู่เลย จึงสรุปได้ว่า ที่อุณหภูมิ 1000 0C จะสามารถปลูกแกรฟีนได้เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงนี้จะไประเหยออกไซด์ที่อยู่บนพื้นผิวโลหะสเตนเลส เมื่อใช้เครื่องวัดการเลี้ยวเบนด้วยรังสีเอ็กซ์จากเครื่องเร่งอนุภาค ที่สถาบัน KEK ประเทศญี่ปุ่น สามารถตรวจพบแกรฟีนที่มีความหนา 1-2 ชั้นได้อย่างชัดเจน


• เวลาในการปลูกแกรฟีนบนแผ่นโลหะสเตนเลส
พบว่า ที่เวลาในการปลูก 30 -120 นาที ที่ปรากฏว่ามีลักษณะที่เป็นเกาะเล็กๆเกิดขึ้นแสดงบนภาพถ่ายกล้องจุลทรรศน์ และพบสเปกตรัมยืนยันว่าบริเวณนั้นมีแกรฟีนอยู่จริง เมื่อเพิ่มระยะเวลาที่ใช้ในการปลูกก็มียิ่งทำให้เห็นปริมาณแกรฟีนสูงขึ้น และปริมาณแกรฟีนสูงสุดที่เวลาในการปลูก 120 นาที


• อัตราการไหลของแก๊สมีเทนในการปลูกแกรฟีนบนแผ่นโลหะสเตนเลส
ที่อัตราการไหลของแก๊สมีเทน 200 sccm เป็นค่าน้อยที่สุด และโครงสร้างแกรฟีนที่เกิดขึ้นเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบซึ่งเป็นสมบัติที่ดีต่อการนำไปใช้งาน เช่นนำไปพัฒนาในอุปกรณ์ให้มีมลูค่าสูงได้ เช่น การนําโลหะสเตนเลสนี้มาทําเป็นขั้วไฟฟ้าเพื่อให้ได้แบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือเซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพสูงได้
• อัตราการลดลงของอุณหภูมิหลังการปลูกแกรฟีนบนแผ่นโลหะสเตนเลส โดยลดอุณหภูมิลง
จาก 1000 0C ถึง 400 0C โดยอัตราการลดอุณหภูมิลงอย่างช้า ด้วย อัตราเฉลี่ย 5 0C ต่อนาที จากการศึกษาพบว่า พื้นผิวของสารตัวอย่างไม่ได้ปกคลุมด้วยแกรฟีนแต่ถูกปกคุลมด้วยอะตอมคาร์บอนที่มีโครงสร้างเป็นแบบอื่น
• ความหนาของโลหะสเตนเลสที่มีต่อการปลูกแกรฟีน โดยลดความหนาจาก 0.85 มิลลิเมตร ให้
เหลือความหนา 0.01 มิลลิเมตร พบว่าแกรฟีนสามารถครอบคลุมทุกจุดบนผิวโลหะสเตนเลส
• การใช้แก๊สอะเซทิลีนเป็นแหล่งคาร์บอนในการปลูกแกรฟีน พบว่าสามารถปลูกแกรฟีน
ครอบคลุมพื้นผิวโลหะสเตนเลสได้ถึง 79.2% ซึ่งมากกว่าการใช้แก๊สมีเทนเป็นแหล่งคาร์บอนที่สามารถปลูกแกรฟีนให้ครอบคลุมพื้นผิวได้เพียงไม่เกิน 30% ซึ่งถือเป็นตัวแปรสำคัญหนึ่งในการขยายกำลังการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

ผลที่ดีที่สุดจากงานวิจัยนี้

พบว่า การปลูกแกรฟีนบนโลหะสเตนเลสที่มีความหนา 0.01 มิลลิเมตร โดยใช้อุณหภูมิ 1000 0C นาน 120 นาที โดยใช้อัตราการไหลของแก๊สมีเทนที่ 200 sccm และทำให้สารตัวอย่างเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว จะได้แกรฟีนที่มีคุณภาพสูงปกคลุมพื้นผิวของเหล็กสเตนเลสเกือบ 100% แต่ในกรณีของเหล็กสเตนเลสหนา 0.85 มิลลิเมตร จำเป็นต้องใช้แก๊สอะเซทิลีนในการปลูกแกรฟีน เนื่องจากแก๊สอะเซทิลีนมีจำนวนอะตอมของคาร์บอนมากกกว่าแก๊สมีเทน จึงสามารถปลูกแกรฟีนได้ครอบคลุมพื้นผิวของโลหะสเตนเลสมากกว่าการใช้แก๊สมีเทนนั่นเอง
จากงานวิจัยนี้ทำให้ทราบถึงสภาวะที่เหมาะสมต่อการปลูกแกรฟีนบนเหล็กสเตนเลสด้วยวิธีเคลือบผิวด้วยไอเคมี ซึ่งทำให้ได้โลหะสเตนเลสที่มีความแข็งของพื้นผิวมากเกือบ 15 เท่าของโลหะสเตนเลสบริสุทธิ์ทั่วไป ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากต่ออุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับเหล็กโดยเฉพาะอุตสาหกรรมยานยนต์และอุตสาหกรรมการก่อสร้าง ซึ่งจะเป็นส่วนผลักดันทำให้ประเทศกลายเป็นจุดศุนย์กลางในการผลิตผลิตภัณฑ์ด้วยชิ้นส่วนที่เปี่ยมด้วยประสิทธิภาพสูงดังเช่นโลหะสเตนเลสที่เคลือบด้วยแกรฟีนจึงอาจจะเป็นส่วนที่จะช่วยให้ตลาดเหล็กเติบโตได้อย่างรวดเร็วในอนาคต

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “การปลูกแกรฟีนพื้นที่กว้างบนเหล็กสเตนเลสด้วยวิธีการเคลือบผิวด้วยไอเคมี”

หัวหน้าโครงการ : อรรฆวัชร รวมไมตรี
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist