Electrohydrodynamic spraying for the production of metal powder

Abstract

Un campo eléctrico normal a la superficie de un cuerpo líquido puede llegar a inducir fuerzas electrostáticas lo suficientemente intensas como para llegar a vencer a la tensión superficial y por lo tanto causar dispersión de la fase líquida en una nube de gotas (spray) cargadas electrostáticamente. Este fenómeno se conoce como atomización electrohidrodinámica (AEHD). Para observar fenómenos electrohidrodinámicos basta con aplicar una diferencia de potencial de algunos kilovoltios entre una placa metálica y la salida de una capilaridad, en la cual se mantiene un líquido bajo una presión relativa cercana a cero. El menisco que emerge de la capilaridad se encuentra expuesto a un campo electroestático que genera carga por inducción en la superficie del líquido. Las fuerzas eléctricas tienden a extraer el líquido de la capilaridad llegando a provocar su goteo, cada vez más rápido y compuesto de gotas cada vez más pequeñas a medida que se aumenta la diferencia de potencial entre los electrodos y por lo tanto el valor del campo eléctrico en la superficie del líquido. Este goteo acelerado por el campo eléctrico puede llegar a dar lugar a una atomización fina del líquido utilizado, dependiendo del campo eléctrico aplicado y de la tensión superficial del líquido. Además otras propiedades físicas de los líquidos (conductividad eléctrica, constante dieléctrica, viscosidad, densidad, etc.) también juegan su papel en ese tipo de atomización, obteniéndose resultados muy distintos dependiendo del líquido utilizado. La atomización o dispersión de un líquido por medios electrostáticos ofrece una serie de ventajas sobre otras técnicas de dispersión debido a la presencia de carga eléctrica en la superficie de las gotas generadas durante el proceso de atomización. Esta carga ayuda a la expansión de la fase dispersa (gotas de líquido) debido a las fuerzas electrostáticas repulsivas. Este tipo de repulsión electrostática evita que unas gotas choquen con otras mejorando la penetración del spray y la expanción del mismo. En aplicación especializadas, la presencia de carga neta en las gotas producidas por medio de AEHD, ofrece un medio para guiar las gotas a través de trayectorias controladas mediante un campo eléctrico especialmente diseñado. El proceso de atomización EHD puede darse lugar en atmósferas muy distintas (aire, un gas inerte, vacío, etc.) y existe evidencia experimental que la distribución en tamaño de las gotas es monodispersa. En la actualidad no existe una teoría que describa este peculiar tipo de atomización en función de la configuración experimental el caudal conseguido y la atmósfera utilizada y las propiedades del líquido. Por lo tanto cualquiera consideración teórica debe referirse a las investigaciones realizadas durante la última década. Los modelos teóricos de hoy en día se basan, en una buena parte, en ideas postulada hace treinta o treintaicinco años. Tradicionalmente, el polvo metálico se ha producido industrialmente provocando el choque de un chorro de metal fundido con otro de gas (o de agua) a alta velocidad. Últimamente se han desarrollado técnicas de atomización centrifugas o basadas en métodos de evaporización. El objetivo de este proyecto es explorar la posibilidad de utilizar las técnicas de atomización electrohidrodinámica para la producción de polvos, en condiciones ambientales, para crema de soldadura. Tales polvos precisan de un tamaño específico con un intervalo de tolerancia muy estrecho. En concreto, Atomizing Systems Limited deseaban partículas metálicas de forma esférica y con un diámetro dentro del intervalo (25μm, 45μm). Además existe un caudal mínimo por debajo del cual este tipo de aplicaciones deja de ser económicamente rentables. En el caso de Atomizing Systems Limited, este límite era de 0.014ml/seg. El hecho de trabajar en condiciones ambientales impone un límite al campo eléctrico alcanzable 30 MV /m, de acuerdo con la resistencia dieléctrica del aire.

The electrohydrodynamic atomization of liquid metals has always been carried out in a vacuum and very few times with the purpose of manufacturing metallic powders for which it seems to have a great potential. A very comprehensive body of literature has been analysed critically in the literature survey part of this dissertation. This provided the information necessary for electrodynamically atomize low meting point metals (Wood's metal). The electrostatic effects and the break-up of stream of conducive liquids at high flow rates, 0.028 < Q <0.978 mVs were examined and photographed using tap water as a model. Experience showed that when an increasing voltage is applied with liquid Wood's metal, the onset of spontaneous corona discharges prevented the EHD atomization of the melt due to its high surface tension an atmosphere of carbon dioxide was set up in order to overcome corona discharge negative effects but little change was observed. Finally at the end of this dissertation it is pointed to the way to the problems to be solved (corona discharges) and to designs that may give the required performance.