Overflademodifikation af mikro-nanopartikler med stort volumen med atomnøjagtighed

Overflademodifikation af mikro-nanopartikler på atom- og atomær skala er af stor betydning for deres anvendelser inden for en række forskellige områder, såsom energilagring, katalyse, sensorer og biomedicin. For at opfylde industriens krav på disse områder er det påtrængende nødvendigt at udvikle højvolumenfremstilling af atomært præcise belægninger på partikelformige materialer. Som en avanceret ekstrem fremstillingsmetode er atomisk lagaflejring (ALD) en tyndfilmsdepositionsmetode, som tilbyder hulfri film med præcis tykkelseskontrol på ångstrøm-niveau og exceptionel homogenitet på komplekse strukturer. Fluidized bed ALD (FB-ALD) har vist et stort potentiale i atomisk ultratynde film på store mængder partikler.

I et nyt papir offentliggjort i International Journal of Extreme Manufacturing , et team af forskere, ledet af prof. Rong Chen fra State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Kina, har grundigt undersøgt effekten af ​​ultralydsvibrationer på hydrodynamik og partikelagglomerationsadfærd i en FB-ALD-reaktor via CFD-DEM-simulering. Lejetrykket falder og udvidelser, fluid turbulent kinetisk energi, fordeling af partikelhastigheder og fast volumenfraktion samt agglomeratstørrelserne præsenteres for at karakterisere fluidiseringskvaliteten. Forskellige amplituder og frekvenser af ultralydsvibrationer undersøges for at finde de optimale betingelser for at forbedre fluidiseringskvaliteten og belægningseffektiviteten af ​​FB-ALD-processen.

For at undersøge effekten af ​​ultralydsvibration på den generelle fluidiseringsadfærd påføres en typisk ultralydsvibration med en frekvens på 20 kHz og en amplitude på 20 µm til FB'en, efter at fluidiseringen når en stabil tilstand. Med induceringen af ​​ultralydsvibrationen øges hastigheden af ​​partiklerne tæt på den vibrerende væg med det samme. Antallet af partikler med høje hastigheder stiger også, hvilket fører til flere partikel-partikelkollisioner. Desuden øges lejehøjden gradvist med tiden, hvilket betyder, at ultralydsvibrationen effektivt kan fremme partikelspredning. Desuden reduceres kanalisering også af ultralydsfeltet. Disse forbedringer af fluidiseringsadfærd er gavnlige for partikelcoatingprocessen, eftersom precursor-molekylerne kan diffundere hurtigere og mere ensartet ind i agglomeraterne og dermed øge den samlede coatingeffektivitet.

Fluid turbulent bevægelse er den primære årsag til, at partikler opnår tilfældig bevægelse, og turbulens kinetisk energi er nøglefaktoren for evaluering af brudenergien for partikelagglomerater. Uden ultralydsvibration er den kinetiske turbulensenergi ret lille, og den forbliver uændret. Men når først ultralydsvibrationen er påført, stiger den maksimale turbulens kinetiske energi kraftigt. Det er vist, at den maksimale kinetiske turbulensenergi stiger med stigende frekvens eller amplitude.

Karakteriseringer af koordinationsnummeret og agglomeratstørrelsesfordelingen for alle tilfælde udføres også for kvantitativt at undersøge partikelagglomereringen og brudadfærden. Når ultralydsfrekvensen er indstillet til 20 kHz, øges ultralydsfeltets de-agglomereringseffekt med ultralydsamplituden. Når ultralydsfrekvensen stiger fra 10 kHz til 20 kHz, stiger sandsynligheden for agglomeraterne dannet af to primære partikler hurtigt, mens agglomeraterne dannet af tre til ti primære partikler alle falder. Dette indikerer, at ultralydsvibrationen med frekvensen 20 kHz yderligere kan bryde de små agglomerater til det mindste agglomerat eller endda individuelle partikler.

For at verificere simuleringsresultaterne er der udført sammenlignende belægningsforsøg med ultralydsvibrationsassisteret FB-ALD-reaktor på NCM811-partikler, som kan tilbyde høj energitæthed i bilers lithium-ion-batterier (LIB'er). SEM-billederne af de coatede nanopartikler viser også, at partiklerne i den ultralydsvibrationsassisterede FB-ALD er blevet effektivt spredt, hvilket fører til mere konforme lag og en højere belægningseffektivitet. De eksperimentelle data stemmer godt overens med simuleringsresultaterne, som har bekræftet effektiviteten af ​​den dynamiske multiskala CFD-DEM-model.

Professor Chen Rong og andre forskere i hendes gruppe besvarede spørgsmål om flere nøglepunkter, når de udfører den ultralydsvibrationsassisterede FB-ALD-teknologi:

Er den nuværende CFD-DEM-model af FB med en størrelse på nogle få millimeter præcis nok til at forudsige partikeladfærden i en opskaleret ultralydsvibrationsassisteret FB-ALD-reaktor?

"Selvom den nuværende multiskala CFD-DEM-model kun dækker skalaer fra de simple agglomerater til FB med en størrelse på et par millimeter, har den med succes afsløret partikelagglomerering og brudadfærd med ultralydsassistance. Med udviklingen af ​​multiskala-teorien og beregningsmæssig videnskab, menes denne model at blive videreudviklet for en bedre undersøgelse fra laboratorieskala til produktionsskala."

Hvordan påvirker ultralydsvibrationen brud på agglomeratet? Er det altid bedre at bruge højere ultralydsfrekvenser?

"Der eksisterer en kritisk værdi af ultralydsfrekvensen. Når ultralydsværdien er lavere end den kritiske værdi, stiger den gennemsnitlige partikelhastighed og agglomeratstørrelsen med stigende ultralydsfrekvens. Men når ultralydsfrekvensen overstiger denne kritiske værdi (f.eks. 40 kHz) begynder partiklerne at agglomerere nær den vibrerende væg."

Hvilke aspekter skal vi overveje, når vi optimerer procesparametrene eller designer ultralydsvibrations-FB-ALD-reaktoren til belægning af store mængder nanopartikler?

"Valgerne af ultralydsfrekvenserne eller -amplituderne afhænger af mange faktorer, såsom reaktortrykket, de ækvivalente inter-partikel kohæsive kræfter, samt partikelstørrelsesfordelingen i hele FB. For den optimale design reaktor, viden fra tilstødende felter såsom hydromekanik og maskinteknik er yderligere påkrævet."

Forskere har antydet, at forskellige slags partikelformige materialer vil få meget gavn af den ultralydsvibrationsassisterede FB-ALD-teknologi. Hjælpen fra ultralydsvibrationer kan effektivt accelerere væskens og partiklernes hastighed nær den vibrerende væg. Forbedret fluidiseringskvalitet af nanopartikler er også bundet til at lette varmeoverførslen og precursordiffusionen i hele FB-ALD-reaktoren og agglomeraterne, hvilket i vid udstrækning kan forbedre belægningseffektiviteten. + Udforsk yderligere

Opladning af undervands- og kropsimplanterede elektroniske enheder ved hjælp af ultralydsbølger