A modificação da superfície de micro-nanopartículas em escalas atômicas e próximas a atômicas é de grande importância para suas aplicações em uma variedade de campos, como armazenamento de energia, catálise, sensores e biomedicina. Para atender aos requisitos da indústria nessas áreas, é urgentemente necessário desenvolver a fabricação de alto volume de revestimentos atomicamente precisos em materiais particulados. Como um método avançado de fabricação extrema, a deposição de camada atômica (ALD) é um método de deposição de filme fino que oferece filmes sem pinhole com controle de espessura preciso no nível de angstrom e homogeneidade excepcional em estruturas complexas. ALD de leito fluidizado (FB-ALD) tem mostrado grande potencial em filmes atomicamente ultrafinos em grandes quantidades de partículas.
Em um novo artigo publicado no International Journal of Extreme Manufacturing , uma equipe de pesquisadores, liderada pelo Prof. Rong Chen do State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, China, investigou de forma abrangente o efeito da vibração ultrassônica no hidrodinâmica e o comportamento de aglomeração de partículas em um reator FB-ALD via simulação CFD-DEM. As quedas e expansões de pressão do leito, energia cinética turbulenta do fluido, distribuição de velocidades de partículas e fração de volume sólido, bem como os tamanhos dos aglomerados são apresentados para caracterizar a qualidade da fluidização. Diferentes amplitudes e frequências de vibrações ultrassônicas são investigadas para encontrar as condições ideais para melhorar a qualidade da fluidização e a eficiência do revestimento do processo FB-ALD.

Para investigar o efeito da vibração ultrassônica nos comportamentos gerais de fluidização, uma vibração ultrassônica típica com frequência de 20 kHz e amplitude de 20 µm é aplicada ao FB após a fluidização atingir um estado estacionário. Com a indução da vibração ultrassônica, a velocidade das partículas próximas à parede vibratória aumenta imediatamente. O número de partículas com altas velocidades também aumenta, levando a mais colisões partícula-partícula. Além disso, a altura do leito aumenta gradualmente à medida que o tempo aumenta, o que implica que a vibração ultrassônica pode efetivamente promover a dispersão das partículas. Além disso, a canalização também é reduzida pelo campo ultrassônico. Essas melhorias nos comportamentos de fluidização são benéficas para o processo de revestimento de partículas, uma vez que as moléculas precursoras podem se difundir mais rápida e uniformemente nos aglomerados, aumentando assim a eficiência geral do revestimento.

O movimento turbulento do fluido é a principal razão para as partículas atingirem o movimento aleatório, e a energia cinética da turbulência é o fator chave para avaliar a energia de quebra para aglomerados de partículas. Sem a vibração ultrassônica, a energia cinética de turbulência é bastante pequena e permanece inalterada. No entanto, uma vez que a vibração ultrassônica é aplicada, a energia cinética de turbulência máxima aumenta acentuadamente. Mostra-se que a energia cinética de turbulência máxima aumenta com o aumento da frequência ou amplitude.

Caracterizações do número de coordenação e distribuição do tamanho do aglomerado para todos os casos também são realizadas para investigar quantitativamente os comportamentos de aglomeração e quebra das partículas. Quando a frequência ultrassônica é definida como 20 kHz, o efeito de desaglomeração do campo ultrassônico aumenta com a amplitude ultrassônica. Quando a frequência ultrassônica aumenta de 10 kHz para 20 kHz, a probabilidade de aglomerados formados por duas partículas primárias aumenta rapidamente, enquanto os aglomerados formados por três a dez partículas primárias diminuem. Isso indica que a vibração ultrassônica com a frequência de 20 kHz pode quebrar ainda mais os pequenos aglomerados em aglomerados menores ou mesmo partículas individuais.

Para verificar os resultados da simulação, experimentos comparativos de revestimento foram realizados com reator FB-ALD assistido por vibração ultrassônica em partículas NCM811, que podem oferecer alta densidade de energia em baterias automotivas de íons de lítio (LIBs). As imagens SEM das nanopartículas revestidas também mostram que as partículas no FB-ALD assistido por vibração ultrassônica foram efetivamente dispersas, levando a camadas mais conformadas e maior eficiência de revestimento. Os dados experimentais concordam bem com os resultados da simulação, que comprovaram a eficácia do modelo dinâmico multiescala CFD-DEM.

O professor Chen Rong e outros pesquisadores de seu grupo responderam a perguntas sobre vários pontos-chave ao realizar a tecnologia FB-ALD assistida por vibração ultrassônica:

O modelo CFD-DEM atual de FB com um tamanho de alguns milímetros é preciso o suficiente para prever o comportamento das partículas em um reator FB-ALD assistido por vibração ultrassônica?

"Embora o atual modelo CFD-DEM multiescala cubra escalas desde os aglomerados simples até o FB com um tamanho de poucos milímetros, ele revelou com sucesso os comportamentos de aglomeração e quebra de partículas com assistência ultrassônica. ciência, acredita-se que este modelo seja desenvolvido para uma melhor investigação de escala de laboratório para escala de fabricação."

Como a vibração ultrassônica influencia na quebra do aglomerado? É sempre melhor usar frequências ultrassônicas mais altas?

"Existe um valor crítico da frequência ultrassônica. Quando o valor ultrassônico é menor que o valor crítico, a velocidade média das partículas e o tamanho do aglomerado aumentam com o aumento da frequência ultrassônica. No entanto, quando a frequência ultrassônica excede esse valor crítico (por exemplo, 40 kHz) as partículas começam a se aglomerar perto da parede vibrante."

Quais aspectos devemos considerar ao otimizar os parâmetros do processo ou projetar o reator FB-ALD de vibração ultrassônica para o revestimento de grandes quantidades de nanopartículas?

"As seleções das frequências ou amplitudes ultrassônicas dependem de muitos fatores, como a pressão do reator, as forças coesivas entre partículas equivalentes, bem como a distribuição do tamanho das partículas em todo o FB. Para o reator de projeto ideal, o conhecimento de campos adjacentes como hidromecânica e engenharia mecânica é ainda necessária."

Os pesquisadores sugeriram que vários tipos de materiais particulados vão se beneficiar muito da tecnologia FB-ALD assistida por vibração ultrassônica. A assistência da vibração ultrassônica pode efetivamente acelerar a velocidade do fluido e das partículas próximas à parede vibratória. A qualidade aprimorada de fluidização das nanopartículas também facilita a transferência de calor e a difusão do precursor em todo o reator FB-ALD e nos aglomerados, o que pode melhorar amplamente a eficiência do revestimento. + Explorar mais

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