Ультразвуковые форсунки — это тип распылительных форсунок , которые используют высокочастотные вибрации , производимые пьезоэлектрическими преобразователями, действующими на наконечник форсунки, которые создают капиллярные волны в жидкой пленке. Как только амплитуда капиллярных волн достигает критической высоты (из-за уровня мощности, подаваемой генератором), они становятся слишком высокими, чтобы поддерживать себя, и крошечные капли падают с наконечника каждой волны, что приводит к распылению . [1]
Основными факторами, влияющими на начальный размер получаемых капель, являются частота вибрации, поверхностное натяжение и вязкость жидкости. Частоты обычно находятся в диапазоне 20–180 кГц, за пределами диапазона человеческого слуха, где самые высокие частоты производят наименьший размер капель. [2]
В 1962 году доктор Роберт Лэнг продолжил эту работу, по сути, доказав корреляцию между размером распыленных капель и длиной волны жидкости Рэлея . [1] Ультразвуковые форсунки были впервые коммерциализированы доктором Харви Л. Бергером . Патент США A 3861852, «Топливная горелка с улучшенным ультразвуковым распылителем», опубликован 21 января 1975 года, присвоен Харви Бергеру .
Последующие применения технологии включают в себя покрытие пробирок для забора крови, распыление флюса на печатные платы, покрытие имплантируемых стентов и баллонов/катетеров, выделяющих лекарственные препараты, покрытия для производства флоат-стекла [3] , антимикробные покрытия для пищевых продуктов [4], прецизионные полупроводниковые покрытия и покрытия для альтернативной энергетики для производства солнечных и топливных элементов и т. д.
Фармацевтические препараты, такие как сиролимус (также называемый рапамицином) и паклитаксел, наносятся на поверхность стентов с лекарственным покрытием (DES) и баллонов с лекарственным покрытием (DCB). Эти устройства получают большую выгоду от ультразвуковых распылительных насадок за их способность наносить покрытия с небольшими потерями или без них. Медицинские устройства, такие как DES и DCB, требуют очень узких схем распыления, распыления с низкой скоростью и воздуха низкого давления из-за их небольшого размера. [5]
Исследования показали, что ультразвуковые форсунки могут эффективно использоваться для производства топливных элементов с протонообменной мембраной . Чернила, как правило, представляют собой суспензию платины и углерода , где платина действует как катализатор внутри элемента. Традиционные методы нанесения катализатора на протонообменную мембрану обычно включают трафаретную печать или ракельные ножи. Однако эти методы могут привести к нежелательной производительности элемента из-за тенденции катализатора образовывать агломерации, что приводит к неравномерному потоку газа в элементе и препятствует полному раскрытию катализатора, создавая риск того, что растворитель или жидкий носитель могут быть поглощены мембраной, и оба эти фактора препятствуют эффективности протонного обмена. [6] При использовании ультразвуковых форсунок распыление может быть сделано настолько сухим, насколько это необходимо, за счет природы небольших и однородных размеров капель, путем изменения расстояния, которое проходят капли, и путем подачи низкого тепла на подложку таким образом, чтобы капли высыхали на воздухе, прежде чем достичь подложки. Инженеры-технологи имеют более тонкий контроль над этими типами переменных по сравнению с другими технологиями. Кроме того, поскольку ультразвуковое сопло передает энергию суспензии непосредственно перед распылением и во время него, возможные агломераты в суспензии разрушаются, что приводит к однородному распределению катализатора, что приводит к повышению эффективности катализатора и, в свою очередь, топливного элемента. [7] [8]
Технология ультразвукового распылительного сопла использовалась для создания пленок оксида индия и олова (ITO) при формировании прозрачных проводящих пленок (TCF). [9] ITO обладает превосходной прозрачностью и низким сопротивлением слоя, однако это дефицитный материал, склонный к растрескиванию, что не делает его хорошим кандидатом для новых гибких TCF. Графен, с другой стороны, может быть превращен в гибкую пленку, чрезвычайно проводящую и обладающую высокой прозрачностью. Сообщалось, что нанопроволоки Ag (AgNW) в сочетании с графеном являются многообещающей превосходной альтернативой TCF для ITO. [10] Предыдущие исследования были сосредоточены на методах покрытия спином и стержнем, которые не подходят для TCF большой площади. Многоступенчатый процесс с использованием ультразвукового распыления оксида графена и обычного распыления AgNW с последующим восстановлением паров гидразина , а затем нанесением верхнего покрытия из полиметилметакрилата (ПММА) привел к получению отслаиваемого TCF, который можно масштабировать до больших размеров. [11]
Тонкие пленки CNT используются в качестве альтернативных материалов для создания прозрачных проводящих пленок (слоев TCO) [12] для сенсорных панелей дисплеев или других стеклянных подложек, а также органических активных слоев солнечных элементов. [13]
Микроэлектромеханические системы (МЭМ) [14] представляют собой небольшие микроизготовленные устройства, которые объединяют электрические и механические компоненты. Устройства различаются по размеру от менее одного микрона до миллиметра, функционируют индивидуально или в массивах для определения, управления и активации механических процессов в микромасштабе. Примерами являются датчики давления, акселерометры и микродвигатели. Изготовление МЭМ включает в себя нанесение равномерного слоя фоторезиста [15] на кремниевую пластину. Фоторезист традиционно наносится на пластины при производстве ИС с использованием техники центрифугирования. [16] В сложных устройствах МЭМ, которые имеют протравленные области с высоким соотношением сторон, может быть сложно добиться равномерного покрытия вдоль верхней, боковых стенок и дна глубоких канавок и желобков с использованием техники центрифугирования из-за высокой скорости вращения, необходимой для удаления избытка жидкости. Методы ультразвукового распыления используются для распыления равномерных покрытий фоторезиста на устройства МЭМ с высоким соотношением сторон и могут минимизировать использование и избыточное распыление фоторезиста. [17]
Незасоряемость ультразвуковых сопел, малый и однородный размер капель, создаваемых ими, и тот факт, что факел распыления может быть сформирован жестко контролируемыми устройствами формирования воздуха, делают применение весьма успешным в процессах пайки волной припоя . Вязкость почти всех флюсов на рынке хорошо соответствует возможностям технологии. В пайке флюс «без очистки» является весьма предпочтительным. Но если наносить избыточное количество, процесс приведет к образованию коррозионных остатков на дне узла схемы. [18]
Фотоэлектрические и сенсибилизированные красителем солнечные технологии требуют нанесения жидкостей и покрытий в процессе производства. Поскольку большинство этих веществ очень дороги, любые потери из-за избыточного распыления или контроля качества сводятся к минимуму с помощью ультразвуковых форсунок. В попытках снизить производственные затраты на солнечные элементы , традиционно выполняемые с использованием метода пакетного фосфорилхлорида или POCl 3 , было показано, что использование ультразвуковых форсунок для нанесения тонкой пленки на водной основе на кремниевые пластины может эффективно использоваться в качестве диффузионного процесса для создания слоев N-типа с равномерным поверхностным сопротивлением. [19]
Ультразвуковой распылительный пиролиз — это метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) , используемый для формирования различных материалов в виде тонкой пленки или наночастиц . Материалы-предшественники часто изготавливаются с помощью золь-гель методов, и примеры включают образование водного нитрата серебра, [20] синтез частиц диоксида циркония, [21] и изготовление твердооксидных топливных элементов катодов SOFC. [22]
Распыленный спрей, полученный из ультразвуковой форсунки, подвергается воздействию нагретой подложки, как правило, в диапазоне от 300 до 400 градусов по Цельсию. [23] Из-за высоких температур в распылительной камере, расширения ультразвуковой форсунки (как показано на рисунке и маркировано – Высокотемпературная ультразвуковая форсунка) [ требуется ссылка ], такие как съемный наконечник (наконечник скрыт под вихревым воздушным кожухом, маркированным #2) [ требуется ссылка ], были разработаны для воздействия высоких температур, защищая при этом корпус (маркированный #1) [ требуется ссылка ] ультразвуковой форсунки, содержащий термочувствительные пьезоэлектрические элементы, обычно снаружи распылительной камеры или с помощью других средств изоляции. [24]
{{cite journal}}: |volume=есть дополнительный текст ( помощь )Бергер, Харви Л. Ультразвуковое распыление жидкости: теория и применение. 2-е изд. Гайд-парк: Partrige Hill, 2006. 1-177.
Лефевр, Артур, Распыление и спреи, Hemisphere, 1989, ISBN 0-89116-603-3