30年前，静电粉末涂料主要是用含有半径为100微米到10微米颗粒的粉末制成的。1-5在过去，人们发现，当颗粒半径减小时，涂层更光滑，第一遍表面覆盖率提高，最大厚度减小。2,7多年来，颗粒半径已经减小，现在常见的是发现颗粒半径为1 μ m-5 μ m的粉末。随着颗粒半径的不断减小，关于尺寸如何影响沉积行为的旧假设可能需要重新评估。本文研究了静电喷雾充注法(ESC)制备钛酸钡颗粒时粒径对其沉积行为的影响。

在大多数ESC行为模型中，Pauthenier方程对于最大沉积厚度的计算和沉积粒子的空间分布至关重要。7-15今天，用于模拟静电沉积过程中粉末的充能过程的最常见和最被广泛接受的方程是Pauthenier方程。它由:

其中m是粒子的质量，E是(E=3MV/m)的击穿电场，e0是自由空间的介电常数，er是粉末的介电常数，r是材料的容重，r是粒子半径

虽然有几种复杂的建模方案可以模拟沉积行为，但Mazumder等人提出了一个简单明了的模型，适用于小至10微米的颗粒。该模型使用静电附着力和排斥力来计算特定尺寸的颗粒在不存在背电离(也称为橘皮)的情况下通过ESC沉积可以产生的最大沉积厚度。

为了模拟与颗粒尺寸有关的附着力和排斥力，Mazumder等人注意到作用在带电粉末层顶部的带电颗粒上的静电力粒子上的吸引像力如式2(上)所示

净排斥力如式3(上)所示。

式中Q为粉末层上的电荷，为:

其中，a是粉末层的体积分数，q/m是由Pauthenier方程给出的电荷与质量比，R是衬底的厚度，t是粉末层的厚度。

Mazumder的工作绘制了关于薄膜厚度的吸引力和排斥力，同时保持颗粒大小不变他们发现，随着薄膜厚度的增加，引力的增加速度比排斥力的增加速度慢。两个图之间的交点显示了特定尺寸的粒子所能产生的最大薄膜厚度。

表1显示了当方程1、2和3应用于粒子半径2µm、125 nm、85 nm、10 nm和1 nm时产生的电荷质量比和最大厚度。

实验

颗粒是使用Versa Spray II枪沉积的，该枪垂直安装在定制的有机玻璃展台中。在展台内是一个由接地金属网格平台组成的样品平台，允许枪到基板的距离为~36厘米。衬底是1厘米x 1厘米的硅模具，随后通过溅射沉积了500纳米的Ti和2微米的Cu。由于空气中的纳米粒子具有未知的毒性，我们制定了一项安全协议来保护人员，并制定了一项设施来遏制他们。

使用钛酸钡粉体的三种分布，~2 μ m, 123-85 nm和10-1 nm，我们在0 V和60 kV下进行了三次试验，每种粒径共进行六次试验。每次试验，我们喷洒6个模具，每个颗粒大小总共36个模具。我们总共准备了108个样品。

我们首先对未涂层钢板进行喷涂，并记录粉末分布，从而校准了喷枪的喷涂模式。然后我们调整喷嘴和/或阶段，以形成一致的喷雾模式。在喷雾模式校准后，称量粉末，并将基材放置在台上。流态化压力调整到30psi，然后调整电压。然后，我们将0.3g材料喷在基材上。喷涂完成后，等待30秒后关闭所有设备。

在试验期间，我们清理了摊位、枪和软管，以防止交叉污染。展位清洁包括用温肥皂水清洗所有面板，然后用多面清洁剂清洗。分别清洗流态化泵、喷嘴、供粉软管、样品级和供粉软管，超声波三次，1小时(或直到水清)，然后风干和目视检查。

结果与讨论

比较0 V和60 KV的结果，很明显，使用充电电压可以增加所有颗粒尺寸的表面覆盖率(图1-6)。2 μ m粉末分布均匀，而125 nm-85 nm和10 nm-1 nm粉末分布较分散。正如预期的那样，2微米的颗粒产生了最厚的沉积。然而，125-85 nm颗粒的最大沉积厚度比10-1 nm颗粒更薄(17.6µm vs.14.7µm)。如图7-9所示。这与模型是矛盾的。更仔细地观察结果可以得出一个可能的原因:聚集。

众所周知，纳米颗粒易于结块。当人们比较2µm颗粒与125-85 nm和10-1 nm颗粒的沉积时，可以清楚地看到2µm沉积更均匀地分散。仔细检查0 kV图像可以发现，虽然单个颗粒的半径可能在nm范围内，但沉积团聚半径范围在~10µm - 1µm之间。

当颗粒尺寸减小到~10 nm时，由于颗粒尺寸与单个颗粒尺寸成反比，因此，当颗粒尺寸减小到~10 nm时，团聚量(每个团聚的平均颗粒数)增加了几个数量级。

就ESC充能过程而言，这些团聚体的行为可能确实与单个更大尺寸的团聚颗粒相似。这是因为在ESC充电过程中，粒子在表面被电离。Pauthenier方程假设半径较小的粒子比较大的粒子具有更高的表面体积比，但该方程没有考虑到粒子倾向于聚集成较大的簇。基于Pauthenier方程的逻辑以及我们对纳米粒子的了解，我们提出了一个修正的Pauthenier方程:

其中h是凝聚常数。从对0 kV沉积的观察来看，我们认为这个常数大致在5到1000之间。

结论

由于ESC作为一种涂层工艺的普及变得广泛，通过减少颗粒半径，涂层变得更光滑、更薄、表面覆盖率更好。根据这一趋势推断，人们可能会认为纳米颗粒的使用可能会在这些领域显示出改善的前景。虽然这些改进可能会实现，但必须注意到，实现这些改进并不像当前理论预测的那样简单。随着颗粒半径的减小，团聚现象变得更加普遍，这可能会影响充注和最终沉积行为。因此，通过ESC沉积的颗粒较小的粉末可能显示出与含有大几个数量级颗粒的粉末相似的平滑度、厚度和表面覆盖特性。

确认

Nanomech的文平博士;UALR的Biris博士和Mazumder博士;费耶特维尔粉末涂料砂;阿肯色大学Leldon King博士;工程研究中心(ENRC)的迈克和简·布罗修斯;ENRC的丹尼·摩尔和史蒂文·伍兹;我的导师Ajay P. Malshe博士;以及让这项工作成为可能的其他工作人员。