Ултразвуково смилане на термоелектрични нанопрахове

• Изследванията показват, че ултразвуковото смилане може успешно да се използва за получаване на термоелектрични наночастици и има потенциал за модифициране на повърхностите на частиците.
• При ултразвуково смлените частици (напр. от сплав на основата на Bi₂Te₃) се наблюдава значително намаляване на размера и получаване на наночастици с размер под 10µm.
• Освен това ултразвуковата обработка предизвиква значителни промени в морфологията на повърхността на частиците и по този начин позволява функционализиране на повърхността на микро- и наночастиците.

Термоелектрични наночастици

Термоелектричните материали преобразуват топлинната енергия в електрическа енергия въз основа на ефектите на Зеебек и Пелтие. По този начин става възможно трудно използваемата или почти изгубената топлинна енергия да се оползотвори ефективно в продуктивни приложения. Тъй като термоелектричните материали могат да се използват в нови приложения като биотермични батерии, термоелектрично охлаждане в твърдо състояние, оптоелектронни устройства и производство на електроенергия в космоса и автомобилите, научните изследвания и промишлеността търсят лесни и бързи техники за получаване на екологични, икономични и устойчиви на високи температури термоелектрични наночастици. Ултразвуковото смилане, както и синтезът отдолу нагоре (сонокристализация) са два обещаващи подхода за бързо масово производство на термоелектрични наноматериали.

Оборудване за ултразвуково смилане

За намаляване на размера на частиците в праховете от бисмутов телурид (Bi₂Te₃), магнезиев силицид (Mg₂Si) и силиций (Si) е използвана ултразвуковата система с висок интензитет UIP1000hdT (1kW, 20kHz) в установка с отворена лабораторна чаша. За всички изпитвания амплитудата е зададена на 140µm. Съдът с пробата се охлажда във водна баня, а температурата се контролира с термодвойка. Поради ултразвуковата обработка в отворен съд е използвано охлаждане, за да се предотврати изпаряването на разтворите за смилане (напр. етанол, бутанол или вода).

(a) Схематична диаграма на експерименталната установка. (b) Апарат за ултразвуково смилане. Източник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ултразвуковото смилане само за 4h на сплавта Bi₂Te₃ вече доведе до получаване на значително количество наночастици с размери между 150 и 400 nm. Освен намаляването на размера до нанометричния диапазон, ултразвуковата обработка доведе и до промяна в морфологията на повърхността. Изображенията от сканираща електронна микроскопия (SEM) на фигурата по-долу, b, c и d, показват, че острите ръбове на частиците преди ултразвуковото смилане са станали гладки и заоблени след ултразвуковото смилане.

Разпределение на частиците по размер и SEM изображения на сплав на основата на Bi2Te3 преди и след ултразвуково смилане. a – Разпределение на частиците по размер; b – SEM изображение преди ултразвуковото смилане; c – SEM изображение след ултразвуково смилане в продължение на 4 h; d – SEM изображение след ултразвуково смилане в продължение на 8 h.
Източник: Marquez-Garcia et al. 2015.

За да се определи дали намаляването на размера на частиците и модифицирането на повърхността се постигат единствено чрез ултразвуково смилане, са проведени подобни експерименти с високоенергийна топкова мелница. Резултатите са показани на фиг. 3. Видно е, че чрез смилане с топкова мелница в продължение на 48 h (12 пъти по-дълго от ултразвуковото смилане) са получени частици с размер 200–800 nm. SEM показва, че острите ръбове на частиците от сплавта Bi₂Te₃ остават по същество непроменени след смилането. Тези резултати показват, че гладките ръбове са уникална характеристика на ултразвуковото смилане. Спестяването на време чрез ултразвуково смилане (4 h спрямо 48 h смилане с топкова мелница) също е забележително.

Разпределение на частиците по размер и SEM изображения на Mg2Si преди и след ултразвуково смилане. (a) Разпределение на частиците по размер; (b) SEM изображение преди ултразвуковото смилане; (c) SEM изображение след ултразвуково смилане в 50% PVP–50% EtOH в продължение на 2 h.
Източник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) заключават, че ултразвуковото смилане може да раздроби праховете от Bi₂Te₃ и Mg₂Si на по-малки частици с размери в диапазона от 40 до 400 nm, което предполага потенциална техника за промишлено производство на наночастици. В сравнение с високоенергийното смилане с топкова мелница, ултразвуковото смилане има две уникални характеристики:

1. 1. наличието на празнина в разпределението на частиците по размер, която отделя първоначалните частици от получените чрез ултразвуково смилане; и
2. 2. след ултразвуковото смилане се наблюдават съществени промени в морфологията на повърхността, които показват възможността за модифициране на повърхностите на частиците.

Заключение

Ултразвуковото смилане на по-твърди частици изисква ултразвукова обработка под налягане, за да се генерира интензивна кавитация. Ултразвуковата обработка при повишено налягане (т.нар. маносоникация) увеличава драстично силите на срязване и напреженията върху частиците.
Установка за непрекъсната ултразвукова обработка в поточна линия позволява по-високо съдържание на частици (пастообразна суспензия), което подобрява резултатите от смилането, тъй като ултразвуковото смилане се основава на сблъсъци между частиците.
Ултразвуковата обработка в отделна рециркулационна установка позволява да се осигури хомогенна обработка на всички частици и следователно много тясно разпределение на частиците по размер.

Основно предимство на ултразвуковото смилане е, че технологията може лесно да се мащабира за производство на големи количества – предлаганото на пазара мощно промишлено оборудване за ултразвуково смилане може да обработва количества до 10m³/h.

Предимства на ултразвуковото смилане

• Бързо, спестяващо време
• Енергоспестяващо
• Възпроизводими резултати
• Без смилащи тела (без микросфери или перли)
• Ниски инвестиционни разходи

Високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори

Ултразвуковото смилане изисква ултразвуково оборудване с висока мощност. За генерирането на интензивни кавитационни сили на срязване високите амплитуди и налягането са от решаващо значение. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа в режим 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. В комбинация с проточните реактори на Hielscher, които могат да работят под налягане, се създава много интензивна кавитация, така че междумолекулните връзки могат да бъдат преодолени и да се постигнат ефективни резултати от смилането.
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа в режим 24/7 при големи натоварвания и в тежки условия. Цифровото и дистанционното управление, както и автоматичното записване на данни върху вградена SD карта, осигуряват прецизна обработка, възпроизводимо качество и позволяват стандартизиране на процеса.

Предимства на високопроизводителните ултразвукови хомогенизатори на Hielscher

• много високи амплитуди
• високи налягания
• непрекъснат процес в поточна линия
• здраво оборудване
• линейно мащабиране
• безопасни и лесни за работа
• лесни за почистване