การเตรียมฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชร สำหรับประยุกต์ใช้กับก็อกน้ำเพื่อเพิ่มแข็งแรง

ทุนอุดหนุนการวิจัยสำหรับนิสิตระดับบัณฑิตศึกษา (ปริญญาเอก) งบประมาณรายได้ปีงบประมาณ 2564

สังเคราะห์และถอดบทเรียนจากงานวิจัยเรื่อง “การเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะชุบโครเมียม โดยการเคลือบฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชร”
ทุนอุดหนุนการวิจัยสำหรับนิสิตระดับบัณฑิตศึกษา (ปริญญาเอก) งบประมาณรายได้ปีงบประมาณ 2564
ผศ.ดร.อาทิตย์ ฉิ่งสูงเนิน, นางสาวอัญธิกา ละครไชย
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม

ในงานวิจัยนี้ได้ทำการเตรียมฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชร (Diamond like carbon; DLC film) หรือฟิล์มไฮโดรจิเนตเตดอะมอร์ฟัสคาร์บอน (Hydrogenated amorphous carbon; a-C:H film) ลงบนผิวของโลหะทองเหลืองที่ถูกชุบด้วยโครเมียมหรือเป็นการเคลือบฟิล์มลงบนผิวโครเมียม (Chrome plating) นั่นเอง สำหรับโลหะทองเหลืองที่ถูกชุบด้วยโครเมียมมักถูกนำไปประยุกต์ใช้กับผลิตภัณฑ์เครื่องใช้ภายในครัวเรือน โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ภายในห้องน้ำ เช่น ก๊อกน้ำ สะดืออ่างล่างหน้า ราวแขวนผ้า และ ฝักบัว เป็นต้น ซึ่งจากการใช้งานผลิตภัณฑ์ดังกล่าว มักทำให้ผลิตภัณฑ์เกิดรอยขีดข่วนและจากกระบวนการทำความสะอาดด้วยน้ำยาทำความสะอากมักทำให้ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวเกิดการกัดกร่อน จึงทำให้งานวิจัยนี้สนใจศึกษาการเคลือบฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรเพื่อทำให้ผลิตภัณฑ์ทนต่อการขีดข่วนจากการใช้งานและมีความต้านทานการกัดกร่อนต่อน้ำยาที่ใช้ทำความสะอาด ซึ่งงานวิจัยนี้ได้มีการใช้ฟิล์มชั้นรองพื้น (Interlayer) เคลือบลงบนผิวโครเมียมก่อนการเคลือบฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชร เพื่อแก้ปัญหาเรื่องการยึดติดของฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรกับผิวโครเมียม สำหรับฟิล์มชั้นรองพื้นได้มีการปรับเปลี่ยนสมบัติด้วยการเจือธาตุไนโตรเจน ไฮโดรเจน และคาร์บอนเข้าไปในโครงสร้างของฟิล์มชั้นรองพื้น ตามแผนภาพโมเดลของชั้นฟิล์มดังแสดงในภาพประกอบที่ 1 โดยจะแบ่งเป็น 4 เงื่อนไขที่ใช้ในการเคลือบชั้นรองพื้นที่ซิลิกอนแตกต่างกันคือ

1.) ฟิล์มอะมอร์ฟัสซิลิกอน (Amorphous silicon; a-Si interlayer) ที่ไม่มีการเจือ
2.) ฟิล์มอะมอร์ฟัสซิลิกอนที่เจือด้วยไนโตรเจน (Nitrogen-doped amorphous silicon;
a-Si:N interlayer)
3.) ฟิล์มไฮโดรจิเนตเตทอะมอร์ฟัสซิลิกอนหรือฟิล์มอะมอร์ฟัสซิลิกอนที่เจือด้วยไฮโดรเจน
(Hydrogenated amorphous silicon; a-Si:H interlayer)
4.) ฟิล์มไฮโดรจิเนตเตทอะมอร์ฟัสซิลิกอนคาร์ไบด์ (Hydrogenated amorphous silicon
carbide; a-SixCy:H interlayer)

จากการทดลองพบว่าการใช้ชั้นรองพื้นซิลิกอนสามารถแก้ปัญหาเรื่องการยึดติดได้ ซึ่งแสดงภาพถ่ายตัวอย่างชิ้นงานภายหลังการเคลือบฟิล์มดังภาพประกอบที่ 2 จากภาพแสดงให้เห็นว่าฟิล์มมีลักษณะเป็นสีดำ มีความเงาหรือมันวาว ซึ่งมีความสวยงามสามารถนำไปเคลือบเพื่อเพิ่มมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์ภายในห้องน้ำได้ นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มอายุการใช้งานผลิตภัณฑ์ได้ด้วย

จากกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ที่นำมาใช้ในการตรวจสอบสมบัติต่างๆ ของการเคลือบฟิล์ม พบว่าฟิล์มชั้นรองพื้นสามารถเพิ่มการยึดติดของฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรกับผิวโครเมียมได้ ดังแสดงผลการตรวจสอบได้ในภาพประกอบที่ 3 ซึ่งแสดงค่าของการยึดติด (Critical load) ในหน่วยของนิวตัน (N) ที่มีค่ามากกว่า 0 N (0 N หมายถึงฟิล์มมีการยึดติดไม่ดี) นอกจากนี้ยังพบว่าที่เงื่อนไขการใช้ชั้นรองพื้น a-Si:H จะส่งผลให้ฟิล์มค่าการยึดติดที่สูงที่สุด (มีแนวโน้มค่า Critical load สูงที่สุด) เมื่อเทียบกับฟิล์มชนิดอื่นๆ จากผลดังกล่าวส่งผลให้การเคลือบฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรด้วยการใช้ชั้นรองพื้น a-Si:H มีค่าความแข็งที่สูงที่สุดและมีค่ากระแสการกัดกร่อนที่ต่ำที่สุดดังแสดงในภาพประกอบที่ 4 โดยพบว่าการเคลือบฟิล์ม a-C:H/a-Si:H สามารถเพิ่มความแข็งให้โลหะชุบโครเมียม 8.30 N เป็น 20.98 N หรือคิดเป็น 2.5 เท่า ในขณะที่พฤติกรรมการกัดกร่อนของการเคลือบฟิล์ม a-C:H/a-Si:H สามารถลดค่ากระแสการกัดกร่อนของโลหะชุบโครเมียมได้จาก 0.71A/cm2 เป็น 0.02 A/cm2 หรือคิดเป็น 35.5 เท่า ซึ่งองค์ความรู้และทักษะที่ได้จากงานวิจัยน้ทำให้คณะผู้วิจัยมีความมั่นใจว่าจะสามารถเคลือบฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรลงบนผลิตภัณฑ์ภายในห้องน้ำได้จริง ซึ่งจะสามารถช่วยเพิ่มความสวยงาย เพิ่มมูลค่าสินค้าและเพิ่มอายุการใช้งานให้กับผลิตภัณฑ์ได้