INTRODUÇÃO

[001] A presente patente de invenção refere-se a um processo de obtenção e deposição de pelo menos uma camada de revestimento de DLC ( Diamond Like Carbori), que utiliza a técnica PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), DC pulsada inovada, com a inclusão de um cátodo adicional, composto de uma tela de geometria e transparência devidamente dimensionada para se obter confinamento de elétrons e íons, confinamento esse que somado a um ignitor gasoso, que corresponde a um fluxo de gás de baixo potencial de ionização, promovem uma alta densidade de plasma, permitindo o crescimento da camada de revestimento de DLC em três dimensões e uniforme em toda a superfície, mesmo em peças de geometrias complexas. A deposição do revestimento de DLC obtido pelo processo acima em uma superfície melhora o seu grau de hidrofobicidade, gelofobicidade e resistência a fadiga.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A invenção se aplica no segmento da aeronáutica em qualquer tipo de superfície, além do metal e suas ligas, mais especificamente em partes de aeronaves denominadas de aerodispositivos como asa, leme, fuselagem, tubo de Pitot, hélices, etc., e/ou outras partes, preferencialmente as que são responsáveis pela aerodinâmica, suscetíveis à erosão provocada pela colisão com gotas de água e outras partículas em alta velocidade, formação de gelo e fadiga. A superfície é preferivelmente o alumínio e suas ligas, no entanto podendo ser outros materiais como o titânio e suas ligas, níquel e suas ligas e do ferro e suas ligas.

CONVENCIMENTO

[003] O segmento da indústria aeronáutica é muito amplo e abrange áreas como a de metalurgia, a de estruturas, novos materiais, eletrónica avançada de bordo, telecomunicações, gasdinâmica, “design”, estética, conforto, segurança, bactericida, controle da qualidade etc. Todas estas áreas buscam maximizar o desempenho de uma aeronave dentro de cada uma das respectivas áreas de atuação. As aeronaves em voo encontram os mais diversos ambientes, com variações térmicas elevadas, colisões com partículas moles (água), duras e pesadas (poeiras), insetos, etc., em alta velocidade, que aceleram o desgaste e/ou a erosão [Salazar, F., and Barrientos, A., Surface Roughness Measurement on a Wing Aircraft by Speckle Correlation, Sensors, 2013 Sep. 13(9), 11772-11781], permitem a formação de gelo em partes importantes como asas e peças de controle de direção, exigindo atenção especial dentro das áreas de pesquisa e desenvolvimento do setor aeronáutico [Nianxin R., Jinping O. Dust Effect on the Performance of Wind Turbine Airfoils. J. Electromagn. Anal. Appl. 2009, 102-107].

[004] Revestimentos quando bem aderentes à superfície de outros materiais, metálicos ou não metálicos, podem transformar certas propriedades dos materiais, dando maior durabilidade em termos de desgaste mecânico ou erosão e mesmo estrutural, devido à alta dureza, à alta aderência, menor corrosão química, evita o acúmulo de sujeiras diversas, com uma melhor condição tribológica devido ao baixo coeficiente de atrito, menor possibilidade de formação de gelo devido a sua baixa energia de superfície [Richardson, G. Y., and Lei, C. S., Erosion Testing of Coatings for V-22 Aircraft, International Journal of Rotating Machinery, 9(1), 35-40,2003], [Sarkar, D. K., Farzaneh, and M., Superhydrophobic Coatings with Reduced Ice Adhesion, Journal of Adhesion Science and Technology 23, 1215-1237, 2009] e especialmente devido ao seu baixo coeficiente de condutividade térmica [Shamsa, M., Liu, W. L, Balandin, A. A., Casiraghi, C., Milne, W. I., Ferrari, A. C., Applied Physics Letters, 89, 161921 , 2006], além de ter compatibilidade biológica e atividade antibacteriana [Marciano, F.R., Bonetti, L.F., Santos, L.V., DA-Silva N.S., Corat, E.J., V.J. Trava-Airoldi. Diamond Relat. Mater.18, 1010, 2009], por exemplo, e ainda se dopado com átomos de metais ou de não metais mais pesados que o oxigénio, exibe melhora de desempenho quanto ao arrasto aerodinâmico [Galvão, F.L., Materials for Friction Drag Reduction Thin Films, Report INPE - 5275/PRE/1689, 1991]. Este revestimento de DLC, ainda, sendo bem aderente, melhora o desempenho do material base quanto ao seu limiar de trincas, conferindo-lhe usos mais robustos e mais duradouros. Para a obtenção deste revestimento fino ou espesso, preferivelmente em multicamadas, na superfície do alumínio e suas ligas ou outro material, cuja aderência seja elevada, diferentes técnicas têm sido estudadas.

[005] Os filmes de DLC foram obtidos, pela primeira vez, a partir da técnica de aceleração de íons [Tabor, D., Ver. Phys. Technol., 145, 1970], [Aisenberg, S., Chabot, R., Journal of Applied Physics, vol. 42, 2953 1971], e desde então uma série de outras técnicas têm sido estudadas [A. Grill, Surface and Coating Technology, 507,1997], com o propósito de buscar novas informações fundamentais, bem como novas propriedades e suas aplicações. Pelas suas propriedades mecânicas e tribológicas, as aplicações voltadas para ferramentas foram as mais estudadas. Em seguida, pelas suas propriedades de biocompatibilidade e inércia química, as aplicações na área biológica foram a sequência observada das pesquisas de cunho operacional [Hussain, S., Pai, A.K., Applied Surface Science 253, 3649, 2007]. O avanço dos estudos de técnicas alternativas de crescimento [G. Capote, L.F. Bonetti, L.V. Santos, V.J. Trava-Airoldi, E.J. Corat, Brazilian Journal of Physics 36, 209, 2006], [G. Capote, V.J. Trava-Airoldi, L.F. Bonetti, IEEE Transctions on Plasma Science, vol. 42, n.6, 2014], inspirados nas necessidades das aplicações espaciais e o grande número de outras utilidades, levaram o filme de DLC a alcançar um elevado patamar dos interesses industriais.

[006] Ainda, a inserção de partículas metálicas, óxidos ou cerâmicas em filmes de DLC têm sido estudadas por diversos autores. Filmes sólidos com nano partículas incorporadas podem combinar essas propriedades com as do próprio filme, produzindo novas características que estão além das propriedades dos componentes individuais [Y. Takahara, J.N. Kondo, T. Takata, D. Lu, K. Domen, Chemistry of Materials 13, 1194, 2001].

[007] Filmes de DLC têm sido produzidos com os mais diversos tipos de nano partículas de acordo com seu tipo de aplicação. Em geral, os principais objetivos foram o de reduzir as tensões internas do filme [Hussain, S., Roy, R.K., Pai, A.K., Materials Chemistry and Physics 99, 375, 2006], [Marciano, F.R., Bonetti, L.F., Pessoa, R.S., Marcuzzo, J.S., Massi, M., Santos, L.V., Trava-Airoldi, V.J., Diamond and Related Materials 17, 1674, 2008], aumentar a resistência à corrosão [Hussain, S., Pai, A.K., Applied Surface Science 253, 3649, 2007], alterar as propriedades elétricas [Kleinsorge, B., Ferrari, A.C., Robertson, J., Milne, W.I., Journal of Applied Physics 88, 114, 2000], [Ma, Z.Q., Liu, B.X., Solar Energy Materials and Solar Cells 69, 339, 2001], e adquirir efeito bactericida [Lau, S.P., Li, Y.J., Tay, B.K., Sun, Z., Chen, G.Y., Chen, J.S., Ding, X.Z., Diamond and Related Materials 10, 1727, 2001], [Marciano, F.R., Lima-Oliveira, D.A., Da-Silva, N.S., Diniz, A.V., Corat, E.J., Trava-Airoldi, V.J., Journal of Colloid and Interface Science 340, 87-92, 2009], [F.R. Marciano, L.F. Bonetti, L.V, Santos, N.S. Da-Siiva, E.J. Corat, V.J. Trava-Airoldi, Diamond & Related Materials 18, 1010-1014, 2009], incluindo estudos de incorporação de nano partículas de diamante [Marciano, F.R., Almeida, E.C., Bonetti, L.F., Corat, E.J., Trava-Airoldi, V.J., Journal of Colloid and Interface Science 342, 636-637, 2010], e [Trava-Airoldi, V.J., Marciano, F.R., Radi, P.A., Lima-Oliveira, D.A., Corat, E.J., Diamond and Related Materials, vol, 34, 2011].

[008] Filmes de DLC podem, ainda, ser produzidos em superfícies já contendo a deposição de nano partículas ou nano tubos em diferentes tipos de alinhamentos. E, também, os ditos filmes de DLC podem ser depositados em superfícies cuja rugosidade tenha sido previamente produzida, via usinagem mecânica, corrosão química, ou via incidência de radiação laser, a fim de garantir baixíssima energia de superfície, ou seja, super-hidrofobicidade. A deposição de um filme de DLC com ângulo de contato não inferior a 70 graus, preferencialmente acima de 90 graus, para a gota de água, tornará esta dita superfície previamente preparada também hidrofóbica ou ainda super- hidrofóbica, segundo a teoria de Robert N. Wenzel, “Surface Roughness and Contact Angle”, Phys. Chem., 1949, 53 (9), pp 1466-1467, em uma superfície com as propriedades do filme de DLC, como dito acima, poderá assumir a condição de super- hidrofóbica, com baixíssima energia de superfície, ou com elevado ângulo de contato para uma gota de água. Por fim, a deposição de um filme dito de DLC com espessura elevada, toda esta superfície poderá passar por uma prévia preparação, via procedimento mecânico ou via incidência de radiação laser, produzindo uma rugosidade adequada que possa induzir um efeito, também, super-hidrofóbico e mesmo gelofóbico.

ESTADO DA TÉCNICA

[009] É de conhecimento dos técnicos no assunto que no conceito de melhorar o desempenho de partes de aeronave, especialmente quanto a evitar a formação de gelo e/ou diminuir a sua adesão às partes de uma aeronave, revestimentos do tipo carbono, DLC, tem sido propostos [Cornelis A.T.W., Eric D.T., David J.J., Use of Ice-Phobic Coatings, PCTNL2014050180, Patent Publication, 2015 e Gary L.D., Ryan D.E., Elizabeth P.C., PCT/US04/04179, Patent Publication, 2004].

[010] No entanto, estas propostas se limitam à tecnologia de obtenção de DLC que impõe limites à espessura dos ditos revestimentos de DLC devido à elevada tensão residual já para filmes acima de dois micrometros de espessura e à dificuldade de se obter altos ângulos de contato. Além disso, esses ditos revestimentos de DLC estão limitados à energia de superfície não inferior às dos metais, como a do alumínio e de suas ligas. Ainda, nas publicações acima citadas, outros limites impostos pelas tecnologias ali mencionadas são as taxas de desgastes diretamente relacionadas à dureza, onde se admite dureza apenas ligeiramente acima da dureza do material base a ser recoberto, e o ângulo de contato acima de 60 graus, e não se fazem referência ao módulo de elasticidade e às tensões residuais destas coberturas, propriedades estas muito importantes para o uso eficaz destes tipos de revestimentos.

[011] O dispositivo real com as caraterísticas de baixa condutividade térmica e baixa tensão residual, preferivelmente abaixo de 1 GPa, mesmo com elevada espessura, acima de 10 micrometros, já foi recentemente produzido graças à uma técnica PECVD, como por exemplo, a citada em “Influence of acetylene precursor diluted with argon on the microstructure and the mechanical and tribological properties of a-C:H films deposited via the modified pulsed-DC PECVD method”, [G. Capote, G.C. Mastrapa, V.J. Trava-Airoldi, Thin Solid Films, v. 589, p. 286-291 , 2015].

[012] A técnica acima faz com que o dito revestimento de DLC, tridimensional e uniforme sobre uma base metálica, por exemplo, de alumínio, tenha aderência muito elevada, conferindo à dita base todas as propriedades, do DLC, supracitadas. Todas as demonstrações da eficiência desta técnica foram constatadas [Trava-Airoldi, V.J., Bonetti, L.F., Ramirez, M.A., Corat, E.J., Processo de revestimentos de superfícies com DLC via confinamento parcial de elétrons e íons, Patente Depositada, INPI protocolo BR 10 2016 000262-1 , 2016], [Capote, G., Lugo, D.C., Gutiérrez, J.M., Mastrapa, G.C., Trava-Airoldi, V.J., Surface and Coatinas Technoloav. Vol. 344. 25 June 2018, Pages 644-655].

[013] O documento BR 10 2016 000262-1 intitulado “PROCESSO DE REVESTIMENTOS DE SUPERFÍCIES COM DLC (DIAMOND-LIKE CARBON) VIA CONFINAMENTO PARCIAL DE ELÉTRONS E ÍONS” - refere-se a um processo de revestimento de substratos metálicos e/ou não metálicos, utilizando o princípio de descarga em Plasma PECVD (do Inglês - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), caracterizado pelo fato de, pela primeira vez, ser possível obter uma descarga estável em pressões bem mais baixas, cerca de 2x10 ³ Torr, que as técnicas que usam o princípio PECVD convencional, cerca de 5x10 ^_2 Torr. Desta forma, o livre caminho médio dos átomos e/ou moléculas no interior da câmara é bastante grande, maior que as dimensões da própria câmara de vácuo. Neste caso, o regime de operação torna-se sem colisões entre átomos e moléculas ionizados ou não, proporcionando uma distribuição mais estreita de energia dos íons, precursores do revestimento e deslocada, em média, para energias maiores. [014] Como antecipado no documento acima a obtenção do revestimento se dá em baixa pressão, cerca de 2x10 ³ Torr, onde foi introduzido o sistema de confinamento de elétrons e íons, entretanto não pode garantir a contínua estabilidade de descarga em plasma, em pressão baixa, durante todo o crescimento, visto que à medida que o revestimento aumenta em espessura, o campo elétrico diminui já que o revestimento é isolante elétrico, e também, devido a necessidade de se fazer interfaces intermediárias, isto é, entre camadas de DLC, para que o revestimento possa absorver as tensões residuais que se formam e crescem com a espessura do dito revestimento e, ainda, quando se deseja introduzir outros átomos e moléculas como dopagem e/ou a incorporação de nanopartículas.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[015] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC, que graças a colocação de um ignitor gasoso é possível diminuir substancialmente a pressão de crescimento da camada do revestimento de DLC e, também, permitir que as interfaces entre as ditas camadas sejam crescidas em condições de plasma estável, sendo que a descarga inicial se rompe elevando-se a pressão ligeiramente e depois retornando ao valor de operação, ou ainda com o auxílio de uma ignitor elétrico, através de uma descarga em arco ou um filamento aquecido;

[016] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC, que pela injeção de nanopartículas, de qualquer natureza, por meio de um coloide, onde outros gases estão presentes, os quais contribuirão para a instabilidade da descarga em plasma e, mesmo assim, a dita descarga em plasma se mantenha estável;

[017] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC super duro e altamente durável devido à elevada dureza e baixo coeficiente de atrito e, ainda, na forma de multicamadas do filme propriamente dito, o DLC, onde cada camada poderá ter propriedades iguais ou diferentes propiciando, um revestimento com baixa tensão residual, independentemente da espessura;

[018] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC, que em uma superfície é capaz de minimizar problemas de erosão e/ou desgaste de qualquer natureza, de minimizar o acúmulo de sujeiras, de minimizar a formação de gelo e/ou diminuir a adesão de gelo em superfícies de partes de uma aeronave, bem como, melhorar o desempenho aerodinâmico;

[019] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC, que pelo fato de minimizar o desgaste de partes de uma aeronave e melhorar o aproveitamento da baixa energia de superfície do dito revestimento de DLC, manterá sempre, no mínimo, a mesma rugosidade do material base a ser recoberto, preferivelmente, sem a necessidade de intervenções de tratamento adicional; [020] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC, que apesar de sua elevada dureza, ter um módulo elástico relativamente baixo propiciando condições favoráveis ao movimento relativo entre partes, vibrações e outros movimentos que uma aeronave possa ter, bem como, movimentos de flexão destas partes;

[021] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC, que independente de ser fino ou espesso, devidamente liso, exibindo um ângulo de contato para a gota de água, elevado, acima de 70 graus, ter sua superfície modificada, por qualquer que seja a técnica, aumentando ou diminuindo a rugosidade ou criando um padrão de rugosidade que possa garantir a hidrofobicidade ou a super-hidrofobicidade segundo a teoria citada e/ou obtendo as propriedade de gelofobicidade;

[022] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC, independente de ser puro ou não puro, desde que mais duro que a superfície, acima de 12 GPa, preferivelmente acima de 20 GPa, mas com módulo elástico relativamente baixo, preferivelmente abaixo de 190 GPa. Estes revestimentos podem ser obtidos na forma de multicamadas onde as intercamadas são obtidas com o próprio filme de DLC de diferentes propriedades ou obtidas com outros elementos diferentes do carbono.

[023] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC, que aplicados em aerodispositivos como asa, leme, fuselagem, tubo de Pitot, hélices e/ou outras partes, seja capaz de diminuir a quantidade de gelo que possa se formar em ambiente de voo. [024] Ainda, uma vez a(s) camada(s) formada(s) também possa(m) diminuir a força ou o esforço necessário para descolar o gelo das superfícies dos aerodispositivos durante a jornada de voo;

[025] É objetivo da presente invenção propor um processo de obtenção e de deposição de camadas de revestimentos tridimensional de DLC de ótima relação custo x benefício. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[026] A invenção consiste em um processo de obtenção e de deposição de revestimento tridimensional de DLC em superfícies, metálicas e não metálicas, que usa a técnica PECVD, DC Pulsada com o diferencial de consistir também de um sistema de confinamento de elétrons e íons associado ao ignitor gasoso, preferivelmente, em estrutura de multicamadas. O dito confinamento adicionado ao ignitor gasoso, que corresponde a um fluxo de um gás de baixo potencial de ionização promovem uma alta densidade de plasma permitindo o crescimento de DLC em pressão muito baixa, cerca de 2 x 10 ³ Torr, ou seja, em regime de não colisões permitindo crescimento do filme em três dimensões e uniformemente em toda a superfície mesmo em peças de geometrias complexas. O revestimento apresenta alta aderência ao substrato, com propriedades de baixas tensões residuais obtidas em ambiente de regime de não colisões e ainda contando com o auxílio da incorporação de nanopartículas e/ou de nano estrutura de qualquer natureza, proporcionando um revestimento de baixo módulo elástico, e ainda, elevado ângulo de contato.

[027] O fato do revestimento ser de DLC, com um conjunto de propriedades superiores, como as citadas, e que possa permitir dopagens de metais como titânio, tungsténio, ferro, etc. e outros tipos de materiais, e não metais, que sejam mais pesados que o oxigénio e, também, permitir incorporação de nanopartículas e/ou nanoestruturas de carbono ou de qualquer natureza em sua estrutura, além de permitir o controle de concentrações de hidrogénio, flúor ou outro átomo na estrutura do revestimento de DLC contribuirá para o seu caráter hidrofóbico ou super-hidrofóbico e/ou gelofóbico.

[028] Portanto, o revestimento de DLC obtido pelo processo descrito, depositado na superfície de uma asa ou um leme, uma fuselagem, tubo de Pitot, hélices de uma aeronave, quando em voo, a torna imune e/ou super resistente a erosão causada devido colisões com gotas de água e/ou com partículas sólidas, devido à alta dureza, baixo módulo elástico, baixo coeficiente de atrito, elevada espessura, com baixa tensão residual.

[029] O processo de obtenção e deposição de revestimento com DLC permite a incorporação de diferentes tipos de átomos e moléculas e/ou nano partículas metálicas, como por exemplo, de prata, cobre, ouro, etc., e não metálicas, como por exemplo, de diamante, de diferentes nanoestruturas de carbono, por exemplo, de nano tubos de carbono, grafeno, fulerenes, etc., e desta forma apresenta uma superfície de baixa energia, isto é, com boa hidrofobicidade, e com características de baixa adesão de gelo. Desta forma, uma asa de aeronave em voo, ou qualquer outro aerodispositivo, sujeito ao arrasto aerodinâmico, por exemplo, tende a formar menos gelo no ambiente de voo, e em caso de gelo formado, estes dispositivos tendem a se livrar mais facilmente quando a superfície é revestida com o dito DLC, objeto desta invenção.

[030] A fim de obter superfícies mais robustas é necessária a deposição de várias camadas sobrepostas do revestimento obtido, o que o torna mais espesso. Por sua vez, esse revestimento de maior espessura deve guardar as mesmas propriedades de um revestimento não espesso que contém apenas uma camada de DLC. Entres as propriedades do revestimento de DLC, apenas a tensão interna não é possível manter constante, em caso de fazê-lo robusto, pois a dita tensão interna cresce com a espessura. Para espessura superior a 2 micrometros, a dita tensão interna já fica muito alta causando danos ao revestimento. A solução encontrada é fazer o dito revestimento em multicamadas, onde cada camada individual não ultrapasse a espessura de cerca de 1 ,5 micrometros, onde entre uma e outra camada de DLC, faz-se uma intercamada de DLC com propriedades diferentes, como por exemplo, de uma dureza ligeiramente menor, preferivelmente de 10 a 50% menor que a dureza das camadas de DLC, módulo elástico ligeiramente menor, nesta mesma proporção, e concentração de hidrogénio maior, podendo alcançar, preferivelmente até cerca de 40%. Esta intercamada de DLC pode ainda ter suas propriedades modificadas com a dopagem de outros átomos, como Si, Ti, W, etc. Esta intercamada, pode ainda ser obtida por revestimentos sem o átomo de carbono, ou seja, um revestimento que não é DLC, por exemplo um revestimento de Si, cujas propriedades são bem diferentes, em verdade inferiores, das propriedades do revestimento de DLC, mas que promove uma excelente aderência entre ambos, camada de DLC e intercamada de Si. A dita intercamada, seja de DLC ou, por exemplo de Si, com espessura menor, preferivelmente não maior que 10% da espessura de cada camada de DLC, quebra a memória de crescimento da tensão interna da camada de DLC, possibilitando crescer um filme de DLC muito espesso, onde a dita tensão interna corresponde à tensão interna de uma única camada.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[031] A invenção será, a seguir, descrita em sua forma de realização, sendo que, para melhor entendimento, referências serão feitas aos desenhos anexos, no qual estão representadas, de forma ilustrativa e não limitativa:

FIGURA 1 : Fluxograma do processo de obtenção e deposição de pelo menos uma camada de revestimento tridimensional com carbono tipo diamante (DLC) em baixa pressão em superfícies metálicas e não metálicas;

FIGURA 2: Vista de uma secção reta do revestimento de DLC tridimensional na forma de multicamadas, ilustrando uma camada mais fina, por exemplo, de silício, como intercamada, separando cada camada de DLC;

FIGURA 3: Gráfico ilustrando a dependência da tensão residual com o número de multicamadas; FIGURA 4: Gráfico ilustrando a dependência da dureza, neste exemplo muito elevada, do revestimento de DLC sobre a base metálica, o alumínio, com o número de camadas do dito revestimento;

FIGURA 5: Gráfico ilustrando a dependência do módulo elástico ou módulo de “Young” com o número de camadas;

FIGURA 6: Gráfico ilustrando a dependência do coeficiente de atrito com o número de camadas;

FIGURA 7: Imagem ilustrando uma indentação de 1500N, de força aplicada, usando a técnica Rockwell C com uma ponta de diamante arredondada de raio de curvatura de 200 micrometros, como prevista na Norma VDI3198, na superfície de uma liga de alumínio com cobertura de DLC na forma de multicamadas;

FIGURA 8: Imagem ilustrando a morfologia da superfície da última camada do filme de DLC com 18% de concentração de hidrogénio, com 17% de flúor e com uma concentração apropriada de nanopartículas, aqui neste exemplo, para o alcance de hidrofobicidade com ângulo de contato de aproximadamente 100°;

FIGURA 9: Imagem ilustrando uma gota de água, formando um ângulo de contato de cerca de 100 graus, na superfície de DLC crescido com concentração de hidrogénio e flúor não inferior a 15% cada e com nanopartículas de diamante incorporadas;

FIGURA 10: Imagem ilustrando uma superfície de DLC, com terminações em flúor, depositado sobre uma superfície de alumínio preparada com nano tubos de carbono, exibindo um ângulo de contato para gota de água de cerca de 140 graus, evidenciando suas características super-hidrofóbicas que somadas às demais propriedades podem, também, ser superfícies gelofóbicas.

FIGURA 11 : Vista de uma chapa de uma liga de alumínio dobrada, exemplificando uma parte de uma asa de uma aeronave.

DESCRIÇÃO TÉCNICA DETALHADA DA INVENÇÃO

[032] O “PROCESSO DE OBTENÇÃO E DEPOSIÇÃO DE PELO MENOS UMA CAMADA DE REVESTIMENTO TRIDIMENSIONAL COM CARBONO TIPO DIAMANTE (DLC) À BAIXA PRESSÃO EM SUPERFÍCIES METÁLICAS E NÃO METÁLICAS”, consiste de um processo de obtenção e deposição de camadas (3) de revestimento (R) tridimensional de carbono tipo diamante (DLC) em superfícies (2) de aerodispositivos, sequência da técnica PECVD, DC pulsada, uma vez que inclui um cátodo adicional para se obter confinamento de elétrons e íons, confinamento esse que somado a um ignitor gasoso promovem uma alta densidade de plasma, permitindo o crescimento da camada (3) de revestimento (R) de DLC em três dimensões e uniforme em toda a superfície (2). [033] Mais particularmente, a invenção reivindica um processo de obtenção e deposição de revestimento (R) tridimensional de DLC em superfícies (2) metálicas e não metálicas a partir da técnica PECVD, DC pulsada modificada com a inclusão de um cátodo adicional, composto de uma tela de geometria e transparência devidamente dimensionada para se obter confinamento de elétrons e íons, confinamento esse que somado a um ignitor gasoso, que corresponde a um fluxo de gás de baixo potencial de ionização, promovem uma alta densidade de plasma, permitindo o crescimento da camada (3) de revestimento de DLC em três dimensões e uniforme em toda a superfície (2), de maneira a não depender da forma e tamanho dos aerodispositivos nos quais o revestimento (R) for aplicado. Numa forma de viabilização da invenção em uma primeira etapa (E1) a superfície (2) do aerodispositivo que receberá o revestimento (10) de DLC é preparada com a realização de polimento e limpezas física e química, para numa segunda etapa (E2), que corresponde a limpeza física fina, o aerodispositivo ser colocado em uma câmara de vácuo, com sistema de bombeamento apropriado, em que faz-se vácuo até uma pressão residual de cerca de 10 ⁵ Torr, injeta-se o gás argônio controlando-se o fluxo e a pressão interna até atingir a pressão de cerca de 10 ^-3 Torr, promovendo-se a descarga em plasma para promover a limpeza física final, onde a dita descarga inicialmente se rompe com o aumento da pressão além da pressão de trabalho e em seguida retornando à pressão de trabalho, ou ainda fazendo uso de um ignitor por meio de um arco elétrico ou um filamento aquecido. Uma vez o plasma ligado, apenas a presença do argônio manterá o plasma ligado e estável. [034] Em uma terceira etapa (E3), que corresponde a deposição da interface, nesta forma de viabilização da invenção o silício, que promove ótima ancoragem à superfície, numa condição de plasma estável devido à presença do argônio como ignitor gasoso, agora com pressão devidamente calculada para não participar do processo de deposição e apenas operar para manter a descarga em plasma estável. Injeta-se, por exemplo, o gás silano, precursor do silício, com fluxo e pressão da câmara de vácuo controlados, que promoverá o revestimento de um filme intermediário de silício (1) altamente aderente à superfície (2) do dispositivo, conforme ilustrado na figura 2. Em uma quarta etapa (E4), que corresponde à decisão do tipo de revestimento que será o mais adequado, podendo ser de DLC puro, ou DLC com dopagem de outros gases, ou DLC com incorporação de nanopartículas, podendo também incorporar outros átomos ou moléculas concomitantemente. No caso de não dopagem o fluxo segue para uma quinta etapa (E5) que corresponde à deposição da primeira camada (3) de DLC puro, com a colocação do gás precursor do DLC, por exemplo, acetileno com fluxo e pressão controlados, promovendo ao mesmo tempo a retirada do gás silano, seguindo para sexta etapa (E6) que corresponde à interrupção total ou parcial da deposição do DLC, e a deposição de primeira intercamada (4), que poderá ser feita com um revestimento de um outro material, por exemplo de silício, ou uma mistura de silício com DLC, ou ainda apenas de DLC. Uma vez construindo-se a intercamada (4) com apenas DLC, ao invés de introduzir outros gases, apenas muda-se os parâmetros de crescimento de forma a alterar as propriedades em relação ao revestimento de DLC da primeira camada (4) para na sétima etapa (E7) interromper a injeção do gás, por exemplo de silano, na intercamada (4) de silício, e ao mesmo tempo à introdução do gás precursor do DLC, nessa forma de viabilização da invenção o acetileno, ou ainda, no caso da intercamada (4) ser de DLC, volta-se os parâmetros anteriores de crescimento com o gás precursor do crescimento do DLC, por exemplo o acetileno. A oitava etapa (E8) corresponde à deposição de DLC dopado com outros gases, por exemplo, flúor, silício, ferro, tungsténio ou outro átomo. Nesta etapa, o início da deposição do DLC poderá ser sem dopagem, e à introdução dos gases precursores da dopagem ser efetuada durante a formação da primeira camada (3). Na nona etapa (E9) se dá a interrupção total ou parcial da deposição do DLC, e a deposição de primeira intercamada (4), que poderá ser feita com um revestimento de um outro material, por exemplo de silício, ou uma mistura de silício com DLC, ou ainda apenas de DLC. Uma vez construindo-se a intercamada (4) com apenas DLC, ao invés de introduzir outros gases, apenas muda-se os parâmetros de crescimento de forma a alterar as propriedades em relação ao revestimento de DLC da primeira camada (3) para na décima etapa (E10) interromper a injeção do gás, por exemplo, de silano, na intercamada (4) de silício, e ao mesmo tempo à introdução do gás precursor do DLC, nessa forma de viabilização da invenção o acetileno, ou ainda, no caso da intercamada ser de DLC, volta-se os parâmetros anteriores de crescimento com o gás precursor do crescimento do DLC, por exemplo, o acetileno. A décima primeira etapa (E11) corresponde à deposição de DLC com nanopartículas incorporadas, nesta forma de viabilização da invenção, nano partículas metálicas, de diamante, de nano estruturas do carbono. Estas nanopartículas poderão ser injetadas para o interior da câmara de vácuo, preferivelmente com a descarga em plasma ligada, na forma de um pó, ou por meio de uma solução coloidal. Esse procedimento se dará de forma contínua, ou pulsada, mas preferivelmente pulsada, com o devido controle do fluxo e da pressão dos gases no interior da câmara de vácuo. [035] Na décima segunda etapa (E12) se dá a interrupção total ou parcial da deposição do DLC, e a deposição de primeira intercamada (4), que poderá ser feita com um revestimento de um outro material, por exemplo de silício, ou uma mistura de silício com DLC, ou ainda apenas de DLC. Uma vez construindo-se a intercamada (4) com apenas DLC, ao invés de introduzir outros gases, apenas muda-se os parâmetros de crescimento de forma a alterar as propriedades em relação ao revestimento de DLC da primeira camada (3) para na décima terceira etapa (E13) interromper a injeção do gás, por exemplo, de silano, na intercamada (4) de silício, e ao mesmo tempo à introdução do gás precursor do DLC, nessa forma de viabilização da invenção o acetileno, ou ainda, no caso da intercamada (4) ser de DLC, volta-se os parâmetros anteriores de crescimento com o gás precursor do crescimento do DLC, por exemplo o DLC. A repetição das etapas, E5, E6 e E7 ou E8, E9 e E10 ou E11, E12 e E13, obter-se-á múltiplas camadas do dito revestimento (R). É possível para se obter camadas subsequentes o uso de valores de concentrações de gases diferentes e mesmo usando-se outros gases precursores, obtendo-se camadas do dito revestimento (R) com propriedades diferentes entre si.

[036] Conforme ilustrado na figura 2, o revestimento (R) depositado à superfície (2) da asa de uma aeronave, por exemplo, apresenta um filme intermediário de silício (1) altamente aderente, o qual é sobreposto por uma primeira camada (3) de DLC separada da segunda camada (6) de DLC por uma intercamada (4) e assim por diante alcançando multicamadas (7). Cada camada de DLC pode apresentar uma determinada espessura (8), assim como as espessuras (9) das intercamadas (4).

[037] A superfície do dito material de base que compõe o dispositivo, objeto da presente invenção, preferivelmente o alumínio e suas ligas devem ter a rugosidade controlada devido à deposição/colocação de nanotubos, ou ação mecânica, química ou incidência de radiação laser. Rugosidade esta que poderá ser mantida após o dito revestimento, ou ligeiramente alterada, mesmo sendo na forma de multicamadas. A tensão residual (11) do filme de DLC como função do número de camadas revela ser aproximadamente constante, mesmo à medida que o filme vai se tornando cada vez mais espesso, dando um importante indicativo de que é possível obter um filme relativamente espesso e garantir que o mesmo permaneça muito aderente à superfície do material base, aqui exemplificado com o alumínio. [038] A figura 3 esclarece as possibilidades deste revestimento, uma vez muito espesso, ter alta durabilidade devido à baixa tensão residual total, que se mantém praticamente constante às tensões residuais (11) de cada camada individualmente.

[039] Para garantir um baixo desgaste mecânico, a dureza (12) do revestimento de DLC deve ser pelo menos 20 vezes maior que a do material base, considerando aqui o alumínio e suas ligas, preferivelmente não inferior a 12 GPa, como mostrado para o exemplo real de revestimento aqui evidenciado, onde a dureza de multicamadas equivale à dureza de uma única camada e, ainda, com módulo elástico ou módulo de Young (13), preferivelmente não superior a 190 GPa, mesmo para filmes de DLC com dureza mais elevada que 20 GPa, por exemplo, mesmo próximo de 30 GPa.

[040] A figura 4 denota que existe a possibilidade de obtenção de filmes relativamente espessos, que é uma condição muito importante para dar mais durabilidade e a confiabilidade exigida para a aplicação deste tipo de revestimento na área aeronáutica. [041] Na figura 5 observa-se que o valor deste parâmetro, o módulo de ‘Young”, não varia à medida que o número de camadas aumenta, assegurando as propriedades desejadas para o recobrimento total em espessura elevada, neste exemplo, em superfície de alumínio. O valor do módulo de Young” relativamente baixo denota que o filme resiste às deformações das partes revestidas sem que haja desplacamento e/ou delaminação do dito revestimento uma vez alcançada elevada aderência da primeira camada e/ou intercamada com o material base, aqui descrito como sendo o alumínio;

[042] A dependência do coeficiente de atrito (14) com o número de camadas, mostra um valor constante, mas o mais importante é que o valor do dito coeficiente de atrito permanece abaixo de 0,1, o que evidência, também, uma melhor condição para a aplicação de destino principal, aqui a área aeronáutica.

[043] A figura 6 demonstra que a espessura do recobrimento, apresenta o coeficiente de atrito muito baixo para todo o filme, em toda a sua espessura.

[044] Observa-se a partir da figura 7 que não há evidência de delaminação ou desprendimento do revestimento a partir da dita superfície do alumínio indentada (15) com ponta de diamante Rockwell C.

[045] Na figura 7 observa-se a elevada aderência, onde nas bordas da indentação, ou da dita saliência deixada pela penetração da ponta de diamante Rockwell C, não se verifica delaminações ou descolamentos do revestimento da superfície do metal apesar da espessura elevada na forma de multicamadas na superfície da liga de alumínio. [046] Na figura 8 mostra-se uma morfologia possível final do filme de DLC, com nano partículas incorporadas (16), de elevada dureza não inferior a 12 GPa, com módulo elástico não superior a 190 GPa, altamente aderente em um substrato de alumínio. [047] Mais especificamente, mostra a morfologia real extraída de um revestimento de DLC com terminações de hidrogénio e/ou flúor com 10 camadas via microscopia eletrónica de varredura, evidenciando a presença de nano partículas incorporadas com diferentes camadas e de diferentes tamanhos.

[048] Na figura 9 segundo a teoria de Wenzel, o ângulo de contato de cerca de 100 graus (17), ou seja, acima de 90 graus, pode ser aumentado, fazendo uma nova estrutura na respectiva superfície do filme de DLC, por exemplo, um padrão de riscos ou perfurações, cujas dimensões, largura, profundidade e distância entre si, sejam, preferivelmente, entre 20 nanômetros e 20 micrômetros. O ângulo acima de 90 graus garante a obtenção de um ângulo muito elevado, preferivelmente acima de 140 graus (18), conforme mostrado na figura 10, quando a dita superfície foi pré-preparada com nano tubos de carbono, caracterizando uma superfície altamente hidrofóbica ou super-hidrofóbica.

[049] A figura 11 ilustra uma chapa com a superfície externa (19) necessariamente recoberta de DLC, a superfície interna (20), podendo ser, ou não, recoberta com DLC, simbolizando uma parte, por exemplo, de uma asa de aeronave, região esta que sofre a maioria dos efeitos não desejáveis, como erosão mecânica e química, impregnação de sujeiras, formação de gelo, etc., listados acima. A espessura desta chapa (21) pode variar desde alguns micrometros até dezenas de milímetros e, pode ter qualquer formato e tamanho.