在原子和近原子尺度上对微纳米粒子进行表面改性对其在储能、催化、传感器和生物医学等多个领域的应用具有重要意义。为了满足这些领域的行业要求，迫切需要在颗粒材料上大批量制造原子级精确涂层。作为一种先进的极端制造方法，原子层沉积 (ALD) 是一种薄膜沉积方法，可提供无针孔薄膜，在埃级上具有精确的厚度控制，并在复杂结构上具有出色的均匀性。流化床 ALD (FB-ALD) 在大量粒子上的原子级超薄膜中显示出巨大的潜力。
在国际极端制造杂志上发表的一篇新论文中华中科技大学机械科学与工程学院数字制造装备与技术国家重点实验室陈荣教授带领的研究团队全面研究了超声波振动对通过CFD-DEM模拟FB-ALD反应器中的流体动力学和颗粒团聚行为。给出了床压降和膨胀、流体湍动能、颗粒速度和固体体积分数的分布以及团聚体尺寸来表征流化质量。研究了超声波振动的不同幅度和频率，以找到提高FB-ALD工艺流化质量和涂层效率的最佳条件。
为了研究超声振动对一般流化行为的影响，一个典型的超声振动频率为在流化达到稳定状态后，将 20 kHz 的频率和 20 µm 的幅度施加到 FB。随着超声波振动的诱导，靠近振动壁的粒子的速度立即增加。高速粒子的数量也会增加，导致更多的粒子-粒子碰撞。此外，随着时间的增加，床层高度逐渐增加，这意味着超声振动可以有效地促进颗粒分散。此外，超声波场也减少了沟道效应。流化行为的这些改进有利于颗粒包覆过程，因为前体分子可以更快、更均匀地扩散到附聚物中，从而提高整体包覆效率。
流体湍流运动是颗粒实现随机运动的主要原因，而湍流动能是评价颗粒团聚体断裂能的关键因素。在没有超声波振动的情况下，湍流动能很小，并且保持不变。然而，一旦施加超声波振动，最大湍动能急剧增加。结果表明，最大湍流动能随着频率或振幅的增加而增加。
还对所有情况下的配位数和团聚尺寸分布进行了表征，以定量研究颗粒的团聚和破碎行为。当超声频率设置为 20 kHz 时，超声场的解聚作用随超声振幅的增加而增加。当超声频率从 10 kHz 增加到 20 kHz 时，两个初级粒子形成团块的概率迅速增加，而三个到 10 个初级粒子形成团块的概率均下降。这表明频率为 20 kHz 的超声振动可以进一步将小团块破碎成最小的团块甚至单个颗粒。
为了验证模拟结果，我们在 NCM811 颗粒上使用超声波振动辅助 FB-ALD 反应器进行了对比涂层实验，该反应器可以为汽车锂离子电池 (LIB) 提供高能量密度。包覆纳米粒子的SEM图像还表明，超声振动辅助FB-ALD中的粒子得到了有效分散，形成了更多的保形层和更高的包覆效率。实验数据与仿真结果吻合较好，验证了动态多尺度CFD-DEM模型的有效性。
陈荣教授等课题组就超声振动辅助FB-ALD技术的几个关键点进行了解答：
FB 的当前 CFD-DEM 模型(尺寸为几毫米)是否足以精确预测放大超声振动辅助 FB-ALD 反应器中的粒子行为?
“虽然目前的多尺度CFD-DEM模型只涵盖了从简单团聚体到几毫米大小的FB的尺度，但它已经成功地揭示了超声辅助下的颗粒团聚和破碎行为。随着多尺度理论和计算的发展科学，相信该模型将进一步发展，以便更好地从实验室规模到制造规模进行研究。”
超声波振动如何影响团块破碎?使用更高的超声波频率总是更好吗?
“超声波频率存在一个临界值。当超声波值低于该临界值时，平均粒子速度和团聚体尺寸随着超声波频率的增加而增加。然而，当超声波频率超过这个临界值时(例如40 kHz) 粒子开始在振动壁附近聚集。”
在优化工艺参数或设计用于大量纳米颗粒涂层的超声振动FB-ALD反应器时，我们应该考虑哪些方面?
“超声波频率或振幅的选择取决于许多因素，例如反应器压力、等效的粒子间内聚力以及整个 FB 中的粒度分布。对于最佳设计反应器，来自相邻领域的知识还需要流体力学和机械工程等。”
研究人员建议，各种颗粒材料将从超声波振动辅助 FB-ALD 技术中受益匪浅。超声波振动的辅助可以有效地加快振动壁附近流体和粒子的速度。纳米粒子流化质量的提高也必将促进整个FB-ALD反应器和团块中的传热和前驱体扩散，从而大大提高包覆效率。
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