الطحن بالموجات فوق الصوتية لمساحيق النانو الكهروحرارية
- أظهرت الأبحاث أنه يمكن استخدام الطحن بالموجات فوق الصوتية بنجاح لتصنيع الجسيمات النانوية الكهروحرارية ولديه القدرة على التلاعب بأسطح الجسيمات.
- الجسيمات المطحونة بالموجات فوق الصوتية (مثل Bi2تي3- سبيكة قائمة) انخفاضا كبيرا في الحجم وجزيئات نانوية ملفقة بأقل من 10 ميكرومتر.
- علاوة على ذلك ، ينتج صوتنة تغييرات كبيرة في مورفولوجيا سطح الجسيمات وتمكن بالتالي من تشغيل سطح الجسيمات الدقيقة والنانوية.
الجسيمات النانوية الكهروحرارية
تقوم المواد الكهروحرارية بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية بناء على تأثير Seebeck و Peltier. وبالتالي يصبح من الممكن تحويل الطاقة الحرارية التي بالكاد يمكن استخدامها أو كادت تفقد بشكل فعال إلى تطبيقات إنتاجية. نظرا لأنه يمكن تضمين المواد الكهروحرارية في تطبيقات جديدة مثل البطاريات الحرارية الحيوية ، والتبريد الكهروحراري في الحالة الصلبة ، والأجهزة الإلكترونية الضوئية ، والفضاء ، وتوليد الطاقة من السيارات ، فإن البحث والصناعة يبحثان عن تقنيات سهلة وسريعة لإنتاج جسيمات نانوية حرارية صديقة للبيئة واقتصادية ومستقرة في درجات الحرارة العالية. طحن بالموجات فوق الصوتية وكذلك التوليف من أسفل إلى أعلى (سونو تبلور) إلى طرق واعدة للإنتاج الضخم السريع للمواد النانوية الكهروحرارية.
معدات الطحن بالموجات فوق الصوتية
لتقليل حجم جسيمات البزموت تيلورايد (Bi2تي3) ، سيليكيد المغنيسيوم (Mg2Si) ومسحوق السيليكون (Si) ، نظام الموجات فوق الصوتية عالي الكثافة UIP1000hdT (1 كيلو واط ، 20 كيلو هرتز) تم استخدامه في إعداد دورق مفتوح. لجميع التجارب تم ضبط السعة على 140 ميكرومتر. يتم تبريد وعاء العينة في حمام مائي ، ويتم التحكم في درجة الحرارة بواسطة زوج حراري. بسبب صوتنة في وعاء مفتوح ، تم استخدام التبريد لمنع تبخر حلول الطحن (على سبيل المثال ، الإيثانول ، البيوتانول ، أو الماء).
طحن بالموجات فوق الصوتية لمدة 4 ساعات فقط من Bi2تي3- أنتجت السبائك بالفعل كمية كبيرة من الجسيمات النانوية بأحجام تتراوح بين 150 و 400 نانومتر. إلى جانب تقليل الحجم إلى نطاق النانو ، أدى الصوتنة أيضا إلى تغيير مورفولوجيا السطح. تعرض صور SEM في الشكل أدناه b و c و d أن الحواف الحادة للجزيئات قبل الطحن بالموجات فوق الصوتية أصبحت سلسة ومستديرة بعد الطحن بالموجات فوق الصوتية.
لتحديد ما إذا كان يتم تحقيق تقليل حجم الجسيمات وتعديل السطح بشكل فريد عن طريق الطحن بالموجات فوق الصوتية ، أجريت تجارب مماثلة باستخدام مطحنة كروية عالية الطاقة. النتائج موضحة في الشكل 3. من الواضح أنه تم إنتاج جزيئات 200-800 نانومتر عن طريق الطحن الكروي لمدة 48 ساعة (12 مرة أطول من الطحن بالموجات فوق الصوتية). يظهر SEM أن الحواف الحادة ل Bi2تي3- تظل جزيئات السبائك دون تغيير بشكل أساسي بعد الطحن. تشير هذه النتائج إلى أن الحواف الملساء هي خصائص فريدة للطحن بالموجات فوق الصوتية. توفير الوقت عن طريق الطحن بالموجات فوق الصوتية (4 ساعات مقابل 48 ساعة طحن الكرة) أمر رائع أيضا.
ماركيز غارسيا وآخرون (2015) خلص إلى أن الطحن بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يتحلل Bi2تي3 والمغنيسيوم2Si مسحوق إلى جزيئات أصغر ، تتراوح أحجامها من 40 إلى 400 نانومتر ، مما يشير إلى تقنية محتملة للإنتاج الصناعي للجسيمات النانوية. بالمقارنة مع طحن الكرة عالية الطاقة ، فإن الطحن بالموجات فوق الصوتية له خاصيتان فريدتان:
- 1. حدوث فجوة في حجم الجسيمات تفصل الجسيمات الأصلية عن تلك التي تنتجها الطحن بالموجات فوق الصوتية ؛ و
- 2. تظهر تغييرات كبيرة في مورفولوجيا السطح بعد الطحن بالموجات فوق الصوتية ، مما يشير إلى إمكانية التلاعب بأسطح الجسيمات.
استنتاج
يتطلب الطحن بالموجات فوق الصوتية للجزيئات الأكثر صعوبة صوتنة تحت الضغط لتوليد تجويف شديد. Sonication تحت ضغط مرتفع (ما يسمى manosonication) يزيد من قوى القص والضغط على الجسيمات بشكل كبير.
يسمح إعداد الصوتنة المضمنة المستمر بحمل جسيمات أعلى (ملاط يشبه اللصق) ، مما يحسن نتائج الطحن لأن الطحن بالموجات فوق الصوتية يعتمد على التصادم بين الجسيمات.
يسمح Sonication في إعداد إعادة تدوير منفصل بضمان معالجة متجانسة لجميع الجسيمات وبالتالي توزيع حجم الجسيمات الضيق للغاية.
الميزة الرئيسية للطحن بالموجات فوق الصوتية هي أنه يمكن توسيع نطاق التكنولوجيا بسهولة لإنتاج كميات كبيرة - يمكن للطحن بالموجات فوق الصوتية الصناعية القوية المتاحة تجاريا التعامل مع كميات تصل إلى 10 أمتار3/ح.
مزايا الطحن بالموجات فوق الصوتية
- سريع وموفر للوقت
- توفير الطاقة
- نتائج قابلة للتكرار
- لا وسائط طحن (بدون خرز أو لؤلؤ)
- تكلفة استثمار منخفضة
الموجات فوق الصوتية عالية الأداء
يتطلب الطحن بالموجات فوق الصوتية معدات الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة. من أجل توليد قوى قص تجويفية مكثفة ، تعد السعات العالية والضغط أمرا بالغ الأهمية. Hielscher الفوق صوتيات’ يمكن للمعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية تقديم سعات عالية جدا. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بسهولة بشكل مستمر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة. بالاقتران مع مفاعلات التدفق القابلة للضغط من Hielscher ، يتم إنشاء تجويف شديد للغاية بحيث يمكن التغلب على الروابط بين الجزيئات وتحقيق تأثيرات طحن فعالة.
متانة معدات الموجات فوق الصوتية Hielscher يسمح لعملية 24/7 في الخدمة الشاقة وفي البيئات الصعبة. يضمن التحكم الرقمي والتحكم عن بعد بالإضافة إلى تسجيل البيانات التلقائي على بطاقة SD مدمجة معالجة دقيقة وجودة قابلة للتكرار ويسمح بتوحيد العملية.
مزايا Hielscher الموجات فوق الصوتية عالية الأداء
- سعات عالية جدا
- ضغوط عالية
- عملية مضمنة مستمرة
- معدات قوية
- التوسع الخطي
- حفظ وسهل التشغيل
- سهل التنظيف
اتصل بنا! / اسألنا!
الأدب / المراجع
- Marquez-Garcia L.، Li W.، Bomphrey JJ، Jarvis D.J.، Min G. (2015): تحضير الجسيمات النانوية للمواد الكهروحرارية عن طريق الطحن بالموجات فوق الصوتية. مجلة المواد الإلكترونية 2015.
حقائق تستحق المعرفة
تأثير كهروحرارية
تتميز المواد الكهروحرارية بإظهار التأثير الكهروحراري في شكل قوي أو مناسب وقابل للاستخدام. يشير التأثير الكهروحراري إلى الظواهر التي يخلق فيها اختلاف درجة الحرارة جهدا كهربائيا أو يخلق الجهد الكهربائي فرقا في درجة الحرارة. تعرف هذه الظواهر باسم تأثير سيبيك ، الذي يصف تحويل درجة الحرارة إلى تيار ، وتأثير بلتيير ، الذي يصف تحويل التيار إلى درجة حرارة ، وتأثير طومسون ، الذي يصف تسخين / تبريد الموصل. جميع المواد لها تأثير حراري غير صفري ، ولكن في معظم المواد تكون صغيرة جدا بحيث لا تكون مفيدة. ومع ذلك ، يمكن استخدام المواد منخفضة التكلفة التي تظهر تأثيرا حراريا قويا بما فيه الكفاية بالإضافة إلى الخصائص الأخرى المطلوبة لجعلها قابلة للتطبيق ، في تطبيقات مثل توليد الطاقة والتبريد. حاليا ، البزموت تيلورايد (Bi2تي3) يستخدم على نطاق واسع لتأثيره الكهروحراري