Ултразвуково смилане на термоелектрически нанопрахове

• Изследванията показват, че ултразвуковото фрезоване може успешно да се използва за производство на термоелектрически наночастици и има потенциал да манипулира повърхностите на частиците.
• Ултразвуково смлени частици (напр. Bi₂Те₃-базирана сплав) показа значително намаляване на размера и произведени наночастици с по-малко от 10 μm.
• Освен това, ултразвукът води до значителни промени в повърхностната морфология на частиците и по този начин позволява да се функционализира повърхността на микро- и наночастиците.

термоелектрични наночастици

Термоелектрическите материали преобразуват топлинната енергия в електрическа въз основа на ефекта на Зеебек и Пелтие. По този начин става възможно ефективно да се превърне трудно използваемата или почти загубена топлинна енергия в продуктивни приложения. Тъй като термоелектрическите материали могат да бъдат включени в нови приложения като биотермални батерии, твърдотелно термоелектрическо охлаждане, оптоелектронни устройства, космическо и автомобилно производство на енергия, изследванията и индустрията търсят лесни и бързи техники за производство на екологични, икономични и устойчиви на висока температура термоелектрически наночастици. ултразвуково фрезоване както и синтез отдолу нагоре (сонокристализация) са обещаващи пътища за бързо масово производство на термоелектрически наноматериали.

Ултразвуково фрезово оборудване

За намаляване на размера на частиците на бисмутов телурид (Bi₂Те₃), магнезиев силицид (Mg₂Si) и силициев (Si) прах, високоинтензивната ултразвукова система UIP1000hdT (1kW, 20kHz) е използван в отворена чаша. За всички опити амплитудата е настроена на 140 μm. Съдът за проби се охлажда на водна баня, температурата се контролира чрез термодвойка. Поради ултразвука в отворен съд се използва охлаждане, за да се предотврати изпаряването на мелническите разтвори (напр. етанол, бутанол или вода).

(а) Схематична схема на експерименталната установка. б) Ултразвукови фрезови апарати. източник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ултразвуково фрезоване само за 4 часа Bi₂Те₃-сплав вече дава значително количество наночастици с размери между 150 и 400 nm. Освен намаляването на размера до нанодиапазона, ултразвукът също води до промяна на морфологията на повърхността. SEM изображенията на фигурата по-долу b, c и d показват, че острите ръбове на частиците преди ултразвуково фрезоване са станали гладки и кръгли след ултразвуково фрезоване.

Разпределение на размера на частиците и SEM изображения на сплав на базата на Bi2Te3 преди и след ултразвуково фрезоване. една – Разпределение на размера на частиците; b – SEM изображение преди ултразвуково фрезоване; c – SEM изображение след ултразвуково фрезоване за 4 часа; d – SEM изображение след ултразвуково фрезоване за 8 часа.източник: Marquez-Garcia et al. 2015.

За да се определи дали намаляването на размера на частиците и модификацията на повърхността се постигат уникално чрез ултразвуково фрезоване, подобни експерименти са проведени с помощта на високоенергийна топкова мелница. Резултатите са показани на фиг.3. Очевидно е, че 200–800 nm частици са произведени чрез топково смилане в продължение на 48 часа (12 пъти по-дълго от ултразвуковото фрезоване). SEM показва, че острите ръбове на Bi₂Те₃-частиците сплав остават по същество непроменени след фрезоване. Тези резултати показват, че гладките ръбове са уникални характеристики на ултразвуковото фрезоване. Спестяването на време чрез ултразвуково фрезоване (4 часа срещу 48 часа сачково фрезоване) също е забележително.

Разпределение на размера на частиците и SEM изображения на Mg2Si преди и след ултразвуково фрезоване. а) разпределение по размер на частиците; б) SEM изображение преди ултразвуково фрезоване; в) SEM изображение след ултразвуково фрезоване в 50% PVP–50% EtOH за 2 часа.източник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) заключават, че ултразвуковото фрезоване може да разгради Bi₂Те₃ и Mg₂Si прах на по-малки частици, чиито размери варират от 40 до 400 nm, което предполага потенциална техника за промишлено производство на наночастици. В сравнение с високоенергийното смилане със сфери, ултразвуковото фрезоване има две уникални характеристики:

1. 1. появата на празнина с размер на частици, разделяща оригиналните частици от тези, получени чрез ултразвуково фрезоване; и
2. 2. Значителни промени в морфологията на повърхността са очевидни след ултразвуково фрезоване, което показва възможността за манипулиране на повърхностите на частиците.

Извод

Ултразвуковото фрезоване на по-твърди частици изисква ултразвук под налягане, за да генерира интензивна кавитация. Соникацията при повишено налягане (т.нар. маносонизация) увеличава драстично силите на срязване и напрежението върху частиците.
Непрекъснатата настройка за ултразвук позволява по-високо натоварване на частици (пастообразна суспензия), което подобрява резултатите от смилането, тъй като ултразвуковото фрезоване се основава на сблъсък между частиците.
Сонификацията в дискретна рециркулационна настройка позволява да се осигури хомогенна обработка на всички частици и следователно много тясно разпределение на размера на частиците.

Основно предимство на ултразвуковото фрезоване е, че технологията може лесно да се мащабира за производство на големи количества - наличното в търговската мрежа, мощно индустриално ултразвуково фрезоване може да обработва количества до 10 m³/ч.

Предимства на ултразвуковото фрезоване

• Бързо, спестяващо време
• Пестене на енергия
• възпроизводими резултати
• Без фрезови материали (без мъниста или перли)
• Ниски инвестиционни разходи

Високоефективни ултразвукови апарати

Ултразвуковото фрезоване изисква ултразвуково оборудване с висока мощност. За да се генерират интензивни кавитационни сили на срязване, високите амплитуди и налягане са от решаващо значение. Ултразвук на Hielscher’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. В комбинация с реакторите с налягане на Hielscher се създава много интензивна кавитация, така че да могат да бъдат преодолени междумолекулните връзки и да се постигнат ефективни ефекти на смилане.
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди. Цифровото и дистанционното управление, както и автоматичният запис на данни на вградена SD карта осигуряват прецизна обработка, възпроизводимо качество и позволяват стандартизация на процеса.

Предимства на високоефективните ултразвукови апарати Hielscher

• много високи амплитуди
• високо налягане
• Непрекъснат вграден процес
• Здраво оборудване
• Линейно мащабиране
• Спестени и лесни за работа
• Лесен за почистване