A Study on Deposition of Zirconia film by Granule Spray in Vacuum

Abstract

Aerosol deposition (AD); the process by which a mixture of fine ceramic particles is sprayed onto a substance to form a protective coating. It has since become one of the most researched and applied domains in the fabrication of ceramic films because of its many advantages. In recent times, research in this domain tends to focus extensively on improving granular coatings' efficiency via AD. Popular amongst such enhanced methods is the Granule Spray in Vacuum (GSV) method. GSV differs from AD, in that, it delivers feed (granules) evenly to the nozzle at regular intervals. Also, granules are used as the starting material in GSV, while powder is used in AD. This work investigates three (3) deposition parameters and their effect on the deposition efficiency (DE) of the GSV method. The deposition parameters are, (1) the type of carrier gas and the gas flow rate, (2) the granule treatment temperature and (3) the standoff distance of the substrate. Results from the conducted experiment on the effect of the gas flow rate reveal that, the faster the gas flows, the better the DE. This improved efficiency can be attributed to increased kinetic activity in the gas particles. It is also observed that, compared to air, pure helium (He) is more effective as the process gas for improving DE. From the experiment, the use of He generated the highest DE of 1.87%. This DE is more than double the value obtained by using air. Therefore, it is concluded that DE is proportional to the velocity of granules. In studying the effect of treatment temperature, the granules were processed at three different temperatures: 700℃, 900℃, and 1100℃. 700℃ was observed as the optimal temperature for the best deposition efficiency for film fabrication. Lastly, the experiment results show that 15 mm is the optimal standoff distance for film fabrication using GSV method. Five standoff distances (5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, and 25 mm) were studied. It was observed that when the standoff distance is wider than 15 mm, the particles' impact force weakens. On the other hand, when the distance is smaller, particles come out of the nozzle at a rather low speed. Therefore, for a successful deposition to occur, 10–15 mm is considered the optimal standoff distance for film fabrication using the GSV method.

Aerosol deposition (AD)는 미세 세라믹 입자의 혼합물을 물질에 분사하여 보호 코팅을 형성하는 공정이다. 그 이후 많은 장점으로 인해 세라믹 층 제조에서 가장 연구되고 적용되는 영역 중 하나가 되었습니다. 최근에 이 분야의 연구는 AD를 통해 입상 코팅의 효율성을 향상시키는 데 초점을 맞추는 경향이 있습니다. 이러한 향상된 방법 중 인기 있는 것은 GSV (Granule Spray in Vacuum) 방법입니다. GSV는 노즐에 균일하게 과립을 공급한다는 점에서 AD와 다릅니다. 또한 과립은 GSV에서 출발 물질로 사용되는 반면 분말은 AD에서 사용됩니다. 이 연구는 GSV 방법의 증착 효율 (DE)에 대한 세 가지 증착 매개 변수와 그 영향을 조사합니다. 증착 매개 변수는 (1) 캐리어 가스의 유형 및 가스 유량, (2) 과립 처리 온도, (3) 기판의 standoff distance 입니다. 가스 유량의 영향에 대해 수행 된 실험의 결과는 가스 흐름이 빠를수록 DE가 더 우수하다는 것을 보여줍니다. 이 개선 된 효율성은 가스 입자의 운동 활성이 증가했기 때문일 수 있습니다. 또한 공기에 비해 순수 헬륨 (He)이 DE 개선을 위한 공정 가스로 더 효과적이라는 것도 관찰되었습니다. 실험에서 He 사용은 1.87%의 가장 높은 DE를 생성했습니다. 이 DE는 공기를 사용하여 얻은 값의 두 배 이상입니다. 따라서 DE는 과립의 속도에 비례하고 공기보다 헬륨 사용할 때 더 높은 결과를 준다고 결론지었습니다. 처리 온도의 영향을 연구하기 위해 과립은 700℃, 900℃, 1100℃의 세 가지 다른 온도에서 처리되었습니다. 필름 제작을 위한 최적의 증착 효율을 위한 최적의 온도는 700℃로 관찰되었습니다. 마지막으로 실험 결과 GSV 방식을 이용한 필름 제작을 위한 최적의 standoff distance는 15 mm 임을 보여줍니다. 5 개의 standoff distance (5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm 및 25 mm)를 연구했습니다. standoff distance 15 mm 보다 넓을 때 입자의 충격력이 약해지는 것이 관찰되었습니다. 반면 거리가 좁으면 입자가 노즐에서 다소 느린 속도로 빠져 나옵니다. 따라서 성공적인 증착을 위해서는 10-15 mm가 GSV 방법을 사용하는 필름 제작을 위한 최적의 standoff distance로 간주됩니다.