Metallization of polymeric materials by means of cold spray technology

Cold spray is an innovative technology able to deposit a variety of powder particles on different substrate materials. Contrary to the other deposition technologies, cold spray exploits the particles’ kinetic energy for bonding using high velocities and low temperatures, well below the fusion point of most metals. For these characteristics, cold spray is the most valuable manufacturing solution for the deposition of metal particles onto polymeric and composite substrates. The metallization of these materials is an attractive field that has gained much attention in the last decade. Composite materials are known for their superior mechanical properties, especially if related to their specific weight, so they could be used as structural materials with enhanced characteristics; on the other hand, apart from the limited thermal strength, these materials show low electric conductivity performances, as well as low wear and scratch. By the application of a thin metallic coating onto the surface of polymeric materials it is possible to bring together the best performances of both, opening new designing possibilities for advanced engineering. In the present work cold spray technology is experimentally studied by analysing the deposited metal coatings on a glass fiber reinforced polymer (GFRP) with a polypropylene (PP) interlayer and on a polyether ether ketone (PEEK) substrate. The first study was made to characterize the different areas on the sprayed hatch by dividing it into three main sectors (sides and central region). These samples were sprayed at the university “Federico II” of Naples withing COSMEC (Cold Spray of Metal to Composite) project, promoted by Italian Ministry for the University and Research (MIUR). Different tests were performed for these cold sprayed composite samples for different configurations: the results suggested that the process parameters were not optimized for the generation of a thick coating and no sensible advantages were reached even for a second-pass-layer, where only an increase in the coating cohesion was observed. For the second batch of samples, PEEK polymer substrates were surface metallized in the DynAM lab of Department of Mechanical Engineering at POLIMI. Two sets were selected as successful among the different combinations of cold spray parameters and the obtained samples were characterized by means of scanning electron microscopy (SEM) for both the single and multiple pass deposition. To better comprehend polymer metallization trough cold spray technology, a numerical model was developed allowing to observe the phenomena at different time frames and for a large combination of process parameters; in particular, the effect of the substrate temperature on the coating production was investigated. These simulations confirmed that by reaching certain substrate temperatures, an easier deposition of the metal particles is achieved, enhancing the possibility of impinging different powder sizes and increasing the deposition efficiency. These results pave the way for new studies that could consider the economics of the modified cold spray process for polymers metallization to predict how the heated polymer influences the properties of the final product.

Il cold spray è una tecnologia innovativa in grado di depositare una varietà di polveri su diversi materiali di come substrati. Diversamente dalle altre tecnologie di deposizione, il cold spray sfrutta l’energia cinetica delle particelle per aderire al substrato, utilizzando elevate velocità e temperature basse, molto minori rispetto alle temperature di fusione per la maggior parte dei metalli. Per queste sue caratteristiche, il cold spray è la soluzione più valida per la deposizione di particelle metalliche su substrati compositi e sui polimeri. La metallizzazione di questi materiali è un argomento che ha guadagnato un elevato interesse nell’ultima decade. I materiali compositi sono riconosciuti per la loro superiori proprietà meccaniche, specialmente se rapportate al loro peso specifico, grazie a cui potrebbero esser utilizzati come materiali strutturali con spiccate caratteristiche; tuttavia, a parte per la ridotta resistenza termica, questi materiali mostrano scarse performance nella conducibilità elettrica, così come per scratch e usura. Con l’applicazione di un sottile strato metallico sulla superficie di questi materiali polimerici, è possibile unire le migliori proprietà di entrambi, aprendo di fatto nuove possibilità per la progettazione ingegneristica avanzata. In questo studio la tecnologia cold spray è stata studiata sperimentalmente analizzando i rivestimenti metallici deposti sia su un substrato in materiale composito (polimero rinforzato in fibra di vetro o GFRP) con uno strato intermedio di polipropilene (PP) e sia su un substrato in polietere etere chetone (PEEK). La prima analisi è stata fatta per caratterizzare la passata deposta, dividendola in tre diverse aree (settore centrale e i due lati). Questi provini sono stati spruzzati all’università “Federico II” di Napoli nel progetto COSMEC (Cold Spray of Metal to Composite), promosso dal Ministero per l’Università e la Ricerca (MIUR). Sono stati implementati diversi test su questi campioni di composito metallizzato secondo le diverse configurazioni: i risultati suggeriscono che i parametri di processo non sono stati ancora ottimizzati per la generazione di un rivestimento consistente, e nessun vantaggio particolare è stato raggiunto nemmeno con l’applicazione di una seconda passata, per cui è stato riscontrato solo un incremento nell’uniformità del rivestimento. Per le analisi sul secondo lotto di campioni, il PEEK è stato metallizzato nel laboratorio DynAM del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del POLIMI. Due combinazioni di parametri per il cold spray sono state selezionate come promettenti tra le altre possibili combinazioni considerate, e i campioni ottenuti sono stati caratterizzati per le deposizioni con singola e multi-passata tramite il microscopio elettronico a scansione (SEM). Per comprendere meglio come avviene la metallizzazione dei polimeri attraverso l’uso del cold spray, è stato sviluppato un modello numerico che consente di osservare i diversi fenomeni svilupparsi nei diversi istanti temporali e per un’ampia combinazione di parametri di processo; in particolare, è stato analizzato l’effetto della temperatura del substrato sulla generazione del rivestimento metallico. Queste simulazioni hanno confermato che col raggiungimento di certe temperature è possibile depositare le particelle metalliche con più facilità, migliorando la possibilità che siano deposte polveri di diverse dimensioni così come l’efficienza di deposizione. Questi risultati aprono la strada a nuovi studi che considerano i costi di tali modifiche nel processo di cold spray per la metallizzazione polimeri e l’influenza che il riscaldamento del substrato polimerico genera sulle proprietà del prodotto finale.