Application de la pulvérisation par atomisation ultrasonique à la préparation de nanomatériaux ?

La pulvérisation par atomisation ultrasonique (UAS) est une technologie qui utilise les vibrations ultrasoniques pour briser les matières premières liquides en gouttelettes de taille micrométrique/nanométrique-, qui sont ensuite transportées vers un substrat ou une zone de réaction via un gaz vecteur. Les nanomatériaux sont ensuite préparés par séchage, frittage ou réactions chimiques. Ses principaux avantages résident dans la taille uniforme des gouttelettes (jusqu'à 1-10 μm), l'épaisseur de revêtement précise et contrôlable (niveau nm-μm), l'absence de dommages mécaniques et l'utilisation élevée des matières premières. Il a été largement utilisé dans la préparation de nanofilms, de nanopoudres et de matériaux nanocomposites, et convient particulièrement aux domaines haut de gamme tels que l'électronique de précision, les nouvelles énergies et la biomédecine.

 

1. Fabrication de nanofilms (application la plus courante)

Scénarios d'application :

◆Semi-conducteurs/dispositifs électroniques : nanofilms conducteurs (par exemple, ITO, graphène, films de nanotubes de carbone), films isolants, revêtements photorésistants ;

◆Nouvelles énergies : films d'électrodes de batteries au lithium-ion (nanosilicium, revêtements de phosphate de fer au lithium), membranes échangeuses de protons pour piles à combustible (modification du film Nafion), couches d'absorption de la lumière des cellules solaires (films à points quantiques) ;

◆Revêtements fonctionnels : films transparents d'isolation thermique-(revêtements nanoTiO₂, ZrO₂), films antibactériens (revêtements nanoargent, oxyde de zinc), films auto-nettoyants (revêtements hydrophobes nanoSiO₂).

Avantages techniques :

◆ Excellente uniformité du film : la taille uniforme des gouttelettes évite les défauts de revêtement (tels que les trous d'épingle et les fissures) causés par « l'agrégation des gouttelettes » lors de la pulvérisation traditionnelle ;

◆ Épaisseur précise et contrôlable : l'épaisseur du revêtement à l'échelle nanométrique jusqu'au micromètre - (par exemple, 10 nm-5 μm) peut être obtenue en ajustant la fréquence d'atomisation (20-180 kHz), le débit de liquide (0,1-10 ml/min) et le temps de pulvérisation ;

◆ Préparation à basse-température : la faible énergie cinétique lorsque les gouttelettes impactent le substrat permet une préparation à température ambiante ou à des températures moyennes à basses (<200℃), making it suitable for flexible substrates (such as PET, PI films) or thermosensitive materials (such as biomacromolecules, quantum dots).

Cas typiques :

◆Film conducteur transparent en graphène : la dispersion de graphène est atomisée par ultrasons et pulvérisée sur un substrat en verre ou en PET flexible. Après séchage à basse-température, un film avec une résistance en feuille<100 Ω/□ and a light transmittance >90 % sont formés, adaptés aux écrans tactiles et aux dispositifs d'affichage flexibles ;

◆Revêtement d'anode à base de silicium-pour batterie au lithium-ion : une dispersion de particules de nano-silicium est pulvérisée sur un substrat en feuille de cuivre pour former un revêtement uniforme-à base de silicium (500 nm - 2 μm d'épaisseur), améliorant ainsi la capacité de la batterie et la stabilité du cycle.

2. Préparation des nanopoudres

Scénarios d'application :

◆Nanopoudres de métal/alliage (par exemple, poudre de nano-argent, cuivre, nickel) : utilisées dans les pâtes conductrices, les catalyseurs et les matières premières d'impression 3D ;

◆Nanopoudres d'oxyde (par exemple, poudre de TiO₂, ZnO, Al₂O₃) : utilisées dans les matériaux photocatalytiques, les matières premières céramiques et les additifs de revêtement ;

◆Nanopoudres composites (par exemple, Fe₃O₄@SiO₂, poudre de points quantiques) : utilisées dans la biodétection, les sondes fluorescentes et les matériaux de stockage magnétique.

Avantages techniques :

◆ Taille uniforme des particules de poudre : la taille des gouttelettes contrôlable entraîne une distribution granulométrique étroite (généralement 10 à 100 nm) ;

◆ Haute pureté : les gouttelettes réagissent en phase gazeuse, évitant ainsi l'introduction d'impuretés comme dans le traitement humide traditionnel ;

◆ Morphologie contrôlable : en ajustant la température de réaction, le débit du gaz porteur et la concentration du précurseur, des nanopoudres de différentes morphologies telles que des particules sphériques, en flocons et en forme de bâtonnet- peuvent être préparées.

Cas typique :

◆ Préparation de nano-poudre d'argent : la solution de nitrate d'argent est mélangée à un agent réducteur (tel que l'éthylène glycol), atomisée, puis passée dans un réacteur à 300 degrés pour réduire et générer une poudre d'argent sphérique d'une taille de particule de 20 à 50 nm, utilisée dans les pâtes électroniques (telles que les emballages LED et les électrodes de cellules photovoltaïques).