Ультразвуковая насадка
Ультразвуковые форсунки — это тип распылительной форсунки , в которой используются высокочастотные вибрации, создаваемые пьезоэлектрическими преобразователями, воздействующими на кончик форсунки, которые создают капиллярные волны в жидкой пленке. Как только амплитуда капиллярных волн достигает критической высоты (из-за уровня мощности, вырабатываемого генератором), они становятся слишком высокими, чтобы поддерживать себя, и крошечные капли падают с кончика каждой волны, что приводит к распылению . [1]
Основными факторами, влияющими на первоначальный размер образующихся капель, являются частота вибрации, поверхностное натяжение и вязкость жидкости. Частоты обычно находятся в диапазоне 20–180 кГц, за пределами человеческого слуха, где самые высокие частоты создают наименьший размер капель. [2]
История
[ редактировать ]В 1962 году доктор Роберт Лэнг продолжил эту работу, по существу доказав корреляцию между размером его распыленных капель и длиной волны Рэлея в жидкости. [1] Ультразвуковые насадки были впервые коммерциализированы доктором Харви Л. Бергером . US A 3861852 , «Топливная горелка с улучшенным ультразвуковым распылителем», опубликованный 21 января 1975 года, передан Харви Бергеру .
Приложения
[ редактировать ]Последующие применения этой технологии включают покрытие пробирок для забора крови, напыление флюса на печатные платы, покрытие имплантируемых стентов, выделяющих лекарственные средства , и баллонов/катетеров, флоат-стекла , покрытия для производства [3] антимикробное покрытие пищевых продуктов, [4] прецизионные полупроводниковые покрытия и покрытия для альтернативной энергетики, среди прочего, для производства солнечных и топливных элементов.
Стенты с лекарственным покрытием и баллоны с лекарственным покрытием
[ редактировать ]Фармацевтические препараты, такие как сиролимус (также называемый рапамицин) и паклитаксел, наносятся на поверхность стентов с лекарственным покрытием (DES) и баллонов с лекарственным покрытием (DCB). Эти устройства значительно выигрывают от ультразвуковых распылительных форсунок, поскольку позволяют наносить покрытия практически без потерь. Медицинские устройства, такие как DES и DCB, требуют очень узкого распыления, распыления с низкой скоростью и воздуха низкого давления из-за их небольшого размера. [5]
Топливные элементы
[ редактировать ]Исследования показали, что ультразвуковые сопла можно эффективно использовать для изготовления топливных элементов с протонообменной мембраной . Обычно используемые чернила представляют собой платино - углеродную суспензию, где платина действует как катализатор внутри ячейки. Традиционные методы нанесения катализатора на протонообменную мембрану обычно включают трафаретную печать или ракельные лезвия. Однако эти методы могут привести к нежелательной работе ячейки из-за склонности катализатора к образованию агломераций, что приводит к неравномерному потоку газа в ячейке и препятствует полному обнажению катализатора, создавая риск того, что растворитель или жидкий носитель могут поглощается мембраной, что препятствует эффективности протонного обмена. [6] При использовании ультразвуковых форсунок распыление можно сделать настолько сухим, насколько это необходимо, благодаря небольшому и однородному размеру капель, варьируя расстояние, на которое проходят капли, и применяя слабый нагрев к подложке, чтобы капли высыхали в воздухом до достижения субстрата. Инженеры-технологи имеют более тонкий контроль над этими типами переменных в отличие от других технологий. Кроме того, поскольку ультразвуковое сопло передает энергию суспензии непосредственно перед и во время распыления, возможные агломераты в суспензии разрушаются, что приводит к гомогенному распределению катализатора, что приводит к более высокой эффективности катализатора и, в свою очередь, топливного элемента. [7] [8]
Прозрачные проводящие пленки
[ редактировать ]Технология ультразвукового распыления сопла использовалась для создания пленок оксида индия и олова (ITO) при формировании прозрачных проводящих пленок (TCF). [9] ITO обладает превосходной прозрачностью и низким сопротивлением листу, однако это дефицитный материал, склонный к растрескиванию, что не делает его хорошим кандидатом на роль новых гибких TCF. С другой стороны, из графена можно сделать гибкую пленку, чрезвычайно проводящую и обладающую высокой прозрачностью. Сообщается, что серебряные нанопроволоки (AgNW) в сочетании с графеном являются многообещающей превосходной альтернативой TCF ITO. [10] Предыдущие исследования были сосредоточены на методах нанесения покрытия центрифугированием и стержнями, которые не подходят для TCF большой площади. Многоэтапный процесс с использованием ультразвукового распыления оксида графена и обычного распыления AgNW с последующим восстановлением паров гидразина и последующим нанесением верхнего покрытия из полиметилметакрилата (ПММА) привел к получению отслаивающегося TCF, который можно масштабировать до больших размеров. [11]
Углеродные нанотрубки
[ редактировать ]Тонкие пленки УНТ используются в качестве альтернативных материалов для создания прозрачных проводящих пленок (слоев ТСО). [12] для сенсорных дисплеев или других стеклянных подложек, а также активных слоев органических солнечных элементов. [13]
Напыление фоторезиста на пластины MEM
[ редактировать ]Микроэлектромеханические системы (МЭМ) [14] представляют собой небольшие микрофабрикаты , сочетающие в себе электрические и механические компоненты. Устройства различаются по размеру от одного микрона до миллиметров, функционируя индивидуально или в группах для определения, контроля и активации механических процессов на микромасштабе. Примеры включают датчики давления, акселерометры и микродвигатели. Изготовление МЭМ предполагает нанесение однородного слоя фоторезиста. [15] на пластину Si. Фоторезист традиционно наносился на пластины при производстве микросхем с использованием технологии центрифугирования. [16] В сложных устройствах МЭМ, которые имеют вытравленные области с высоким соотношением сторон, может быть сложно добиться равномерного покрытия вдоль верхней, боковых стенок и нижней части глубоких канавок и канавок с использованием методов центрифугирования из-за высокой скорости вращения, необходимой для удаления излишков. жидкость. Методы ультразвукового распыления используются для распыления равномерных покрытий фоторезиста на устройства MEM с высоким соотношением сторон и могут свести к минимуму использование и избыточное распыление фоторезиста. [17]
Печатные платы
[ редактировать ]Незасоряемость ультразвуковых сопел, малый и однородный размер создаваемых ими капель, а также тот факт, что факелу распыления можно придать форму с помощью строго контролируемых устройств формирования воздуха, делают их применение весьма успешным в процессах волновой пайки . Вязкость почти всех флюсов, представленных на рынке, хорошо соответствует возможностям технологии. При пайке предпочтительным является флюс, не требующий очистки. Но если нанести чрезмерное количество, процесс приведет к образованию коррозийных остатков на нижней части узла схемы. [18]
Солнечные батареи
[ редактировать ]Фотоэлектрические и солнечные технологии, сенсибилизированные красителями, требуют применения жидкостей и покрытий в процессе производства. Поскольку большинство этих веществ очень дороги, любые потери из-за чрезмерного распыления или контроля качества сводятся к минимуму при использовании ультразвуковых сопел. В попытках снизить затраты на производство солнечных элементов , традиционно выполняемых с использованием метода периодического использования фосфорилхлорида или POCl 3 , было показано, что использование ультразвуковых сопел для нанесения тонкой пленки на водной основе на кремниевые пластины может эффективно использоваться в качестве диффузионный процесс для создания слоев N-типа с равномерным поверхностным сопротивлением. [19]
Ультразвуковой спрей-пиролиз
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Апрель 2014 г. ) |
Ультразвуковой распылительный пиролиз — это метод химического осаждения из паровой фазы (CVD), используемый для формирования различных материалов в тонких пленок или наночастиц форме . Материалы-прекурсоры часто изготавливаются золь-гель методами, и примеры включают образование водного нитрата серебра, [20] синтез частиц циркония, [21] и изготовление катодов ТОТЭ для твердооксидных топливных элементов . [22]
Распыленный спрей, создаваемый ультразвуковым соплом, подвергается воздействию нагретой подложки, обычно в диапазоне 300–400 градусов C. [23] Из-за высоких температур распылительной камеры необходимо использовать удлинители ультразвукового сопла (как на фото и на маркировке — Высокотемпературное ультразвуковое сопло) [ нужна ссылка ] например съемный наконечник (наконечник спрятан под вихревым воздушным кожухом с маркировкой №2) [ нужна ссылка ] были разработаны таким образом, чтобы выдерживать высокие температуры и одновременно защищать тело (обозначено № 1). [ нужна ссылка ] ультразвукового сопла, содержащего термочувствительные пьезоэлектрические элементы, обычно вне распылительной камеры или с помощью других средств изоляции. [24]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Ланг, Роберт (1962). «Ультразвуковое распыление жидкостей». Журнал Акустического общества Америки . 34 (1): 6. Бибкод : 1962ASAJ...34....6L . дои : 10.1121/1.1909020 .
- ^ Бергер, Харви (1998). Теория и применение ультразвукового распыления жидкости . Гайд-парк, Нью-Йорк: Издательство Partridge Hill. п. 44. ИСБН 978-0-9637801-5-7 .
- ^ Дэвис, Нэнси (февраль 2005 г.). «Ультразвуковой распылитель для производства стекла» (PDF) . Стеклянный журнал .
- ^ ДиНаполи, Джессика (10 октября 2013 г.). «Sono-Tek заботится о безопасности пищевых продуктов» . Таймс Геральд-Рекорд .
- ^ Бергер, Харви. «Технологический директор» . Европейская технология медицинского оборудования . Проверено 7 февраля 2014 г.
- ^ Уиллер, Д; Свердруп, Г. (март 2008 г.). «Состояние производства: топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной (PEM)» (PDF) . Технический отчет . NREL/TP-560-41655: 6. doi : 10.2172/924988 .
{{cite journal}}:|volume=есть дополнительный текст ( помощь ) - ^ Энгл, Робб (8 августа 2011 г.). МАКСИМАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАТИНОВОГО КАТАЛИЗАТОРА ПУТЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСПЫЛЕНИЯ (PDF) . Материалы 5-й Международной конференции Asme по энергетической устойчивости 2011 г. и 9-й конференции по науке, технике и технологиям топливных элементов. Том. ESFUELCELL2011-54369. стр. 637–644. дои : 10.1115/FuelCell2011-54369 . ISBN 978-0-7918-5469-3 .
- ^ Миллингтон, Бен; Винсент Уиппл; Бруно Дж. Полле (15 октября 2011 г.). «Новый метод изготовления электродов топливных элементов с протонообменной мембраной методом ультразвукового распыления». Журнал источников энергии . 196 (20): 8500–8508. Бибкод : 2011JPS...196.8500M . дои : 10.1016/j.jpowsour.2011.06.024 .
- ^ ZB Zhoua, RQ Cuia, QJ Panga, YD Wanga, FY Menga, TT Suna, ZM Dingb, XB Yub, 2001, « [1] », « Приготовление пленок оксида индия и олова и пленок легированного оксида олова с помощью процесса ультразвукового распыления CVD , Том 172, Выпуски 3-4
- ^ Ён Су Юн, До Хён Ким, Бона Ким, Хён Хо Парк, Хён Джун Джин, 2012, « [2]» , « Прозрачные проводящие пленки на основе гибридов оксида графена и нанопроволоки серебра с высокой гибкостью», Synthetic Metals, Volume 162, Выпуски 15–16, страницы 1364–1368.
- ^ Ён-Хуэй Коа, Джу-Вон Либ, Вон-Кук Чойк, Сунг-Рёнг Ким, 2014, « [3] », Ультразвуковое распыление оксида графена и напыленная воздухом серебряная нанопроволока для приготовления гибких прозрачных проводящих пленок, Химическое общество Японии
- ^ Маджумдер, Майнак; и др. (2010). «Взгляд на физику нанесения распылением пленок SWNT». Химико-техническая наука . 65 (6): 2000–2008. Бибкод : 2010ЧЭнС..65.2000М . дои : 10.1016/j.ces.2009.11.042 .
- ^ Штайрер, К. Ксеркс; и др. (2009). «Ультразвуковое напыление для производства органических солнечных элементов». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 93 (4): 447–453. Бибкод : 2009SEMSC..93..447S . дои : 10.1016/j.solmat.2008.10.026 .
- ^ «Микроэлектромеханические системы (МЭМС)» .
- ^ «Перенос шаблона» .
- ^ «Полупроводниковая литография (фотолитография) – основной процесс» .
- ^ «Процесс нанесения фоторезистной композиции на подложку» .
- ^ Ратинавелу, Умадеви. «Влияние остатков неотмываемого флюса на характеристики акрилового конформного покрытия в агрессивных средах» (PDF) . IEEE.
- ^ Войер, Кэтрин (7 июня 2004 г.). «Оценка источников легирующих примесей и методов осаждения, подходящих для поточной диффузии в фотоэлектрической промышленности» . 19-я Европейская конференция по фотоэлектрической энергетике : 848.
- ^ Кальяна К. Пингали, Дэвид А. Рокстроу и Шугуан Дэн, 2005, « Наночастицы серебра в результате ультразвукового спрей-пиролиза водного нитрата серебра », Аэрозольная наука и технология, 39: 1010-1014
- ^ YL Song, SC Tsai, CY Chen, TK Tseng, CS Tsai, JW Chen и YD Yao, 2004, « Ультразвуковой спрей-пиролиз для синтеза сферических частиц циркония », Журнал Американского керамического общества , Том 87, № 10
- ^ Хода Амани Хамедани, 2008, Исследование параметров осаждения при ультразвуковом спрей-пиролизе для изготовления твердооксидного катода топливного элемента , Технологический институт Джорджии
- ^ Накарук, А; Д.С. Перера (6 ноября 2010 г.). «Влияние температуры осаждения на пленки диоксида титана, нанесенные методом ультразвукового спрей-пиролиза» . Интернет-журнал материалов AZo .
- ^ Карстенс, Джеймс (1993). Электрические датчики и преобразователи . Риджентс/Прентис Холл. стр. 185–199. ISBN 978-0132496322 .
Бергер, Харви Л. Ультразвуковое распыление жидкости: теория и применение. 2-е изд. Гайд-парк: Партридж-Хилл, 2006. 1-177.
Лефевр, Артур, Распыление и спреи, Полушарие, 1989, ISBN 0-89116-603-3