La modification de surface des micro-nanoparticules à l'échelle atomique et proche de l'atome est d'une grande importance pour leurs applications dans une variété de domaines, tels que le stockage d'énergie, la catalyse, les capteurs et la biomédecine. Afin de répondre aux exigences de l'industrie dans ces domaines, il est urgent de développer la fabrication à grand volume de revêtements de précision atomique sur des matériaux particulaires. En tant que méthode de fabrication extrême avancée, le dépôt de couche atomique (ALD) est une méthode de dépôt de couches minces qui offre des films sans trous d'épingle avec un contrôle précis de l'épaisseur au niveau de l'angström et une homogénéité exceptionnelle sur des structures complexes. L'ALD à lit fluidisé (FB-ALD) a montré un grand potentiel dans les films atomiquement ultraminces sur de grandes quantités de particules.

Dans un nouvel article publié dans le International Journal of Extreme Manufacturing , une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Rong Chen du State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Chine, a étudié de manière approfondie l'effet des vibrations ultrasonores sur le l'hydrodynamique et le comportement d'agglomération des particules dans un réacteur FB-ALD via la simulation CFD-DEM. Les pertes de charges et détentes du lit, l'énergie cinétique turbulente du fluide, la distribution des vitesses des particules et de la fraction volumique solide ainsi que les tailles d'agglomérats sont présentées pour caractériser la qualité de la fluidisation. Différentes amplitudes et fréquences de vibrations ultrasonores sont étudiées pour trouver les conditions optimales pour améliorer la qualité de la fluidisation et l'efficacité du revêtement du procédé FB-ALD.

Afin d'étudier l'effet des vibrations ultrasonores sur les comportements généraux de fluidisation, une vibration ultrasonique typique avec une fréquence de 20 kHz et une amplitude de 20 µm est appliquée au FB après que la fluidisation ait atteint un état stable. Avec l'induction de la vibration ultrasonore, la vitesse des particules proches de la paroi vibrante augmente immédiatement. Le nombre de particules à haute vitesse augmente également, ce qui entraîne davantage de collisions particule-particule. En outre, la hauteur du lit augmente progressivement au fur et à mesure que le temps augmente, ce qui implique que la vibration ultrasonore peut favoriser efficacement la dispersion des particules. De plus, la canalisation est également réduite par le champ ultrasonore. Ces améliorations des comportements de fluidisation sont bénéfiques pour le processus de revêtement de particules, car les molécules précurseurs peuvent diffuser plus rapidement et plus uniformément dans les agglomérats, augmentant ainsi l'efficacité globale du revêtement.

Le mouvement turbulent des fluides est la principale raison pour laquelle les particules réalisent un mouvement aléatoire, et l'énergie cinétique de turbulence est le facteur clé pour évaluer l'énergie de rupture des agglomérats de particules. Sans la vibration ultrasonore, l'énergie cinétique de turbulence est assez faible et reste inchangée. Cependant, une fois la vibration ultrasonore appliquée, l'énergie cinétique de turbulence maximale augmente fortement. Il est démontré que l'énergie cinétique de turbulence maximale augmente avec l'augmentation de la fréquence ou de l'amplitude.

Des caractérisations du nombre de coordination et de la distribution de la taille des agglomérats pour tous les cas sont également effectuées pour étudier quantitativement les comportements d'agglomération et de rupture des particules. Lorsque la fréquence ultrasonore est réglée sur 20 kHz, l'effet de désagglomération du champ ultrasonore augmente avec l'amplitude ultrasonore. Lorsque la fréquence ultrasonore passe de 10 kHz à 20 kHz, la probabilité pour les agglomérats formés de deux particules primaires augmente rapidement, tandis que les agglomérats formés de trois à dix particules primaires diminuent tous. Cela indique que la vibration ultrasonore avec la fréquence de 20 kHz peut encore briser les petits agglomérats en le plus petit agglomérat ou même en particules individuelles.

Pour vérifier les résultats de la simulation, des expériences de revêtement comparatives ont été réalisées avec un réacteur FB-ALD assisté par vibration ultrasonique sur des particules NCM811, qui peuvent offrir une densité d'énergie élevée dans les batteries lithium-ion automobiles (LIB). Les images SEM des nanoparticules enrobées montrent également que les particules du FB-ALD assisté par vibration ultrasonique ont été efficacement dispersées, conduisant à des couches plus conformes et à une efficacité de revêtement plus élevée. Les données expérimentales concordent bien avec les résultats de la simulation, qui a vérifié l'efficacité du modèle CFD-DEM multi-échelle dynamique.

Le professeur Chen Rong et d'autres chercheurs de son groupe ont répondu à des questions sur plusieurs points clés lors de l'utilisation de la technologie FB-ALD assistée par vibration ultrasonique :

Le modèle CFD-DEM actuel de FB d'une taille de quelques millimètres est-il suffisamment précis pour prédire les comportements des particules dans un réacteur FB-ALD assisté par vibration ultrasonore à grande échelle ?

"Bien que le modèle CFD-DEM multi-échelles actuel ne couvre que les échelles allant des simples agglomérats au FB d'une taille de quelques millimètres, il a révélé avec succès les comportements d'agglomération et de rupture des particules avec l'assistance ultrasonore. Avec le développement de la théorie multi-échelles et du calcul science, ce modèle est censé être développé pour une meilleure enquête de l'échelle du laboratoire à l'échelle de la fabrication."

Comment la vibration ultrasonique influence-t-elle la rupture de l'agglomérat ? Est-il toujours préférable d'utiliser des fréquences ultrasonores plus élevées ?

"Il existe une valeur critique de la fréquence des ultrasons. Lorsque la valeur des ultrasons est inférieure à la valeur critique, la vitesse moyenne des particules et la taille de l'agglomérat augmentent avec l'augmentation de la fréquence des ultrasons. Cependant, lorsque la fréquence des ultrasons dépasse cette valeur critique (par exemple, 40 kHz) les particules commencent à s'agglomérer près de la paroi vibrante."

Quels aspects devons-nous prendre en compte lors de l'optimisation des paramètres du procédé ou de la conception du réacteur FB-ALD à vibration ultrasonique pour le revêtement de grandes quantités de nanoparticules ?

"Les sélections des fréquences ou des amplitudes ultrasonores dépendent de nombreux facteurs, tels que la pression du réacteur, les forces de cohésion inter-particules équivalentes, ainsi que la distribution granulométrique dans l'ensemble du FB. Pour le réacteur de conception optimale, les connaissances des domaines adjacents tels que l'hydromécanique et l'ingénierie mécanique sont également requis."

Les chercheurs ont suggéré que divers types de matériaux particulaires bénéficieraient grandement de la technologie FB-ALD assistée par vibration ultrasonique. L'assistance des vibrations ultrasonores peut accélérer efficacement la vitesse du fluide et des particules à proximité de la paroi vibrante. L'amélioration de la qualité de fluidisation des nanoparticules est également liée à la facilitation du transfert de chaleur et de la diffusion des précurseurs dans l'ensemble du réacteur FB-ALD et des agglomérats, ce qui peut largement améliorer l'efficacité du revêtement. + Explorer plus loin

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