Anwendung des Ultraschallzerstäubungssprühens bei der Herstellung von Nanomaterialien?

Beim Ultraschallzerstäubungssprühen (UAS) handelt es sich um eine Technologie, die Ultraschallvibrationen nutzt, um flüssige Rohstoffe in Tröpfchen in Mikrometer-/Nanometergröße aufzubrechen, die dann über ein Trägergas zu einem Substrat oder einer Reaktionszone transportiert werden. Nanomaterialien werden dann durch Trocknen, Sintern oder chemische Reaktionen hergestellt. Seine Hauptvorteile liegen in der gleichmäßigen Tröpfchengröße (bis zu 1-10 μm), der präzisen und kontrollierbaren Beschichtungsdicke (nm-μm-Ebene), keiner mechanischen Beschädigung und einer hohen Rohstoffausnutzung. Es wird häufig bei der Herstellung von Nanofilmen, Nanopulvern und Nanokompositmaterialien eingesetzt und eignet sich besonders für High-End-Bereiche wie Präzisionselektronik, neue Energie und Biomedizin.

 

1. Nanofilm-Herstellung (häufigste Anwendung)

Anwendungsszenarien:

◆Halbleiter-/elektronische Geräte: Leitfähige Nanofilme (z. B. ITO, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrenfilme), Isolierfilme, Fotolackbeschichtungen;

◆Neue Energie: Elektrodenfilme für Lithium-{{0}Ionenbatterien (Nanosilizium, Lithium-Eisenphosphat-Beschichtungen), Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellen (Nafion-Filmmodifikation), Lichtabsorptionsschichten für Solarzellen (Quantenpunktfilme);

◆Funktionelle Beschichtungen: Transparente wärmeisolierende Filme (NanoTiO₂-, ZrO₂-Beschichtungen), antibakterielle Filme (Nanosilber-, Zinkoxid-Beschichtungen), selbstreinigende Filme (hydrophobe NanoSiO₂-Beschichtungen).

Technische Vorteile:

◆ Hervorragende Filmgleichmäßigkeit: Eine gleichmäßige Tröpfchengröße vermeidet Beschichtungsfehler (z. B. Nadellöcher und Risse), die durch „Tröpfchenaggregation“ beim herkömmlichen Sprühen verursacht werden.

◆ Präzise und kontrollierbare Dicke: Eine Beschichtungsdicke im Nanometer- bis Mikrometerbereich (z. B. 10 nm–5 μm) kann durch Anpassen der Zerstäubungsfrequenz (20–180 kHz), der Flüssigkeitsdurchflussrate (0,1–10 ml/min) und der Sprühzeit erreicht werden.

◆ Vorbereitung bei niedriger-Temperatur: Die geringe kinetische Energie beim Aufprall der Tröpfchen auf das Substrat ermöglicht die Vorbereitung bei Raumtemperatur oder mittleren bis niedrigen Temperaturen (<200℃), making it suitable for flexible substrates (such as PET, PI films) or thermosensitive materials (such as biomacromolecules, quantum dots).

Typische Fälle:

◆Transparenter leitfähiger Graphenfilm: Die Graphendispersion wird mit Ultraschall zerstäubt und auf ein Glas- oder flexibles PET-Substrat gesprüht. Nach dem Trocknen bei niedriger-Temperatur entsteht ein Film mit einem Schichtwiderstand<100 Ω/□ and a light transmittance >90 % geformt, geeignet für Touchscreens und flexible Anzeigegeräte;

◆Lithium--Ionenbatterie-Anodenbeschichtung auf Silizium--Basis: Eine Nano--Siliziumpartikeldispersion wird auf ein Kupferfoliensubstrat gesprüht, um eine gleichmäßige Silizium--basierte Beschichtung (500 nm bis 2 μm dick) zu bilden, die die Batteriekapazität und Zyklenstabilität verbessert.

2. Nanopulver-Vorbereitung

Anwendungsszenarien:

◆Metall-/Legierungs-Nanopulver (z. B. Nano--Silber-, Kupfer-, Nickelpulver): werden in leitfähigen Pasten, Katalysatoren und 3D-Druckrohmaterialien verwendet;

◆Oxid-Nanopulver (z. B. TiO₂, ZnO, Al₂O₃-Pulver): werden in photokatalytischen Materialien, keramischen Rohstoffen und Beschichtungszusätzen verwendet;

◆Komposit-Nanopulver (z. B. Fe₃O₄@SiO₂, Quantenpunktpulver): werden in Biosensorik, Fluoreszenzsonden und magnetischen Speichermaterialien verwendet.

Technische Vorteile:

◆ Gleichmäßige Pulverpartikelgröße: Die kontrollierbare Tröpfchengröße führt zu einer engen Partikelgrößenverteilung (typischerweise 10–100 nm);

◆ Hohe Reinheit: Tröpfchen reagieren in der Gasphase, wodurch die Einführung von Verunreinigungen wie bei der herkömmlichen Nassverarbeitung vermieden wird;

◆ Kontrollierbare Morphologie: Durch Anpassen der Reaktionstemperatur, der Trägergasflussrate und der Vorläuferkonzentration können Nanopulver mit unterschiedlichen Morphologien wie kugelförmigen, flockenförmigen und stäbchenförmigen Partikeln hergestellt werden.

Typischer Fall:

◆ Herstellung von Nano-Silberpulver: Eine Silbernitratlösung wird mit einem Reduktionsmittel (z. B. Ethylenglykol) gemischt, zerstäubt und dann in einen 300-Grad-Reaktor geleitet, um kugelförmiges Silberpulver mit einer Partikelgröße von 20–50 nm zu reduzieren und zu erzeugen, das in elektronischen Pasten (z. B. LED-Verpackungen und Elektroden von Photovoltaikzellen) verwendet wird.