超声波喷涂技术是通过将液体雾化成微米级液滴，实现高精度涂层的涂覆工艺。它利用高频振动将液体分解成均匀细小的液滴，并通过成型气体（如干燥空气或氮气）引导液滴至目标表面。超声波喷涂广泛应用于多个领域，包括电子元件、燃料电池、太阳能电池、医疗器械和工业涂层等。该技术凭借其高效的材料利用率、低雾化压力、精确的液体控制和对复杂几何形状的适应性，在各种精密涂层工艺中展现出优越性能。
超声波喷涂技术原理
- 超声波振动原理：超声波喷嘴通过电磁转换产生高频振动（20-120 kHz），液体在喷嘴表面形成一层薄液膜。振动产生的毛细波作用于液体薄膜，将其分解成均匀的微米级液滴。
- 成型气体引导：低压气体（如氮气或干燥空气）用于引导液滴的运动方向和喷雾形状，从而形成均匀的涂层覆盖。
- 液体分配与精确控制：液体通过精密注射泵、齿轮泵或压力容器被输送至喷嘴，实现对涂层厚度、均匀性和沉积速率的精准控制。
通用喷涂工艺参数
超声波喷涂工艺的成功与否取决于多种参数的协调控制，包括液体特性、喷涂频率、气体流速及压力、喷涂速度等。
2.1 液体参数
- 液体类型：可以处理低至中高粘度（2-50 cps）的液体，如助焊剂、聚合物溶液、纳米颗粒悬浮液、药物-聚合物混合物等，过高的粘度需要添加稀释剂，减小粘度。
- 粘度范围：
- 低粘度（<20 cps）：适用于高精度涂层（如药物涂层、电子防护涂层）。
- 中粘度（20-50 cps）：适用于多种涂层应用，如防护涂层和光刻胶涂层。
- 高粘度（>50 cps）：用于高固含量的纳米悬浮液或厚涂层。
- 液体流速：0.01-50 ml/min，精确度可达 ±1%。不同流速下的涂层效果：
- 低流速（0.01-1 ml/min）：用于超薄涂层和精密沉积（厚度 < 5 µm）。
- 中流速（1-10 ml/min）：适合常规涂层（厚度 5-50 µm）。
- 高流速（10-50 ml/min）：用于大面积涂层或厚涂层（厚度 > 50 µm）。
- 表面张力：25-35 dyn/cm。低表面张力有助于形成均匀液滴，并减少涂层表面的液体堆积。
2.2 喷涂频率
- 低频（40-60 kHz）：用于高粘度液体和宽幅涂层，产生大尺寸液滴，适用于厚涂层应用。
- 中频（60-120 kHz）：适合常规涂层，提供适中的液滴尺寸（8-20 µm），广泛应用于各类电子和工业涂层。
- 高频（120-180 kHz）：用于低粘度液体和超精细涂层，液滴直径通常在10 µm以下，适合于纳米颗粒涂层或高精度功能涂层。
2.3 气体条件
- 气体类型：干燥空气或氮气，防止液体在空气中反应或受到环境污染。
- 气体压力：0.2-1.0 bar，通常控制在0.4-0.6 bar之间，根据涂层厚度和液滴大小进行调整。
- 气体流速：1-10 L/min：
- 低气流（1-3 L/min）：用于精密涂层和微小区域喷涂。
- 高气流（5-10 L/min）：用于大面积基材或快速涂层应用。
2.4 喷涂速度与喷嘴移动
- 喷涂速度：通常为0.2-1.0 m/s，取决于涂层厚度和均匀性要求。
- 喷嘴移动与定位：采用XYZ三轴运动控制系统，确保在复杂几何形状上的涂层均匀性。
- 涂层厚度控制：通过调整喷涂速度、液体流量和喷嘴频率，可以实现厚度从5 µm到100 µm的高精度涂层。
喷涂结果与涂层效果
- 涂层厚度：
- 单次涂覆厚度可从5 µm（超薄涂层）到100 µm（厚涂层）不等。
- 通过多次涂覆可实现更厚的涂层（>100 µm）。
- 涂层均匀性：±5%的均匀性，特别适用于对厚度和沉积量有严格要求的涂层（如医疗植入物或太阳能电池的功能层）。
- 沉积密度（Deposition Density）：
- 电子元件助焊剂涂层：300-2500 µg/in²。
- 透明导电层（TCO）：控制在 10-30 µm 的沉积厚度。
通用工艺要点
- 液体特性匹配：根据液体粘度、表面张力和颗粒分布选择合适的超声波频率和成型气流。
- 喷嘴与涂层需求匹配：
- 使用聚拢型喷嘴实现精细涂层，适合小面积和复杂形状。
- 使用扇形喷嘴进行大面积涂层或宽幅涂层（最大宽度可达 24 英寸）。
- 工艺参数动态调整：根据基材特性（如深沟结构、表面粗糙度）调整喷涂速度、流速和气流，避免涂层堆积或覆盖不全。
- 环境控制与清洁维护：超声波喷嘴需定期清洁以保持涂层质量，并在高湿度或低温环境中使用氮气或带加热平台的配置，以避免液体性质变化对涂层均匀性的影响。
超声波喷涂总结
超声波喷涂技术通过多种工艺参数的动态调整，可以在各种基材表面形成均匀、可重复的涂层。其广泛的应用场景和灵活的配置选项使其在医疗、电子、能源和工业领域中成为一种高效、精确的涂层解决方案。掌握以上通用参数和工艺要点，能够帮助技术人员在各种复杂应用中实现最佳的涂层效果。