Ultraschall-Vermahlung thermoelektrischer Nanopulver

• Die Forschung hat gezeigt, dass Ultraschallfräsen erfolgreich für die Herstellung thermoelektrischer Nanopartikel eingesetzt werden kann und das Potenzial hat, die Oberflächen der Partikel zu manipulieren.
• Mit Ultraschall gemahlene Partikel (z. B. Bi₂Te₃-basierte Legierung) zeigte eine erhebliche Größenreduzierung und erzeugte Nanopartikel mit weniger als 10 µm.
• Darüber hinaus bewirkt die Beschallung signifikante Veränderungen der Oberflächenmorphologie der Partikel und ermöglicht so die Funktionalisierung der Oberfläche von Mikro- und Nanopartikeln.

Thermoelektrische Nanopartikel

Thermoelektrische Materialien wandeln Wärmeenergie auf der Grundlage des Seebeck- und Peltier-Effekts in elektrische Energie um. Dadurch wird es möglich, kaum nutzbare oder fast verlorene Wärmeenergie effektiv in produktive Anwendungen umzuwandeln. Da thermoelektrische Materialien in neuartigen Anwendungen wie biothermischen Batterien, thermoelektrischer Festkörperkühlung, optoelektronischen Geräten, Raumfahrt und Stromerzeugung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können, suchen Forschung und Industrie nach einfachen und schnellen Verfahren zur Herstellung umweltfreundlicher, wirtschaftlicher und hochtemperaturstabiler thermoelektrischer Nanopartikel. Ultraschall-Mahlen als auch die Bottom-up-Synthese (Sono-Kristallisation) sind vielversprechende Wege zur schnellen Massenproduktion von thermoelektrischen Nanomaterialien.

Ultraschall-Fräsgeräte

Für die Partikelgrößenreduzierung von Bismuttellurid (Bi₂Te₃), Magnesiumsilicid (Mg₂Si) und Silizium (Si)-Pulver, das Hochintensitäts-Ultraschallsystem UIP1000hdT (1kW, 20kHz) wurde in einem offenen Becher verwendet. Für alle Versuche wurde die Amplitude auf 140µm eingestellt. Das Probengefäß wird in einem Wasserbad gekühlt, die Temperatur wird durch ein Thermoelement geregelt. Da die Beschallung in einem offenen Gefäß erfolgt, wurde die Kühlung genutzt, um die Verdunstung der Mahllösungen (z. B. Ethanol, Butanol oder Wasser) zu verhindern.

(a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. (b) Ultraschallfräsgerät. Quelle: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultraschallfräsen für nur 4 Stunden Bi₂Te₃-Legierung ergab bereits eine beträchtliche Menge an Nanopartikeln mit Größen zwischen 150 und 400 nm. Neben der Größenreduzierung in den Nanobereich führte die Beschallung auch zu einer Veränderung der Oberflächenmorphologie. Die REM-Aufnahmen in den Abbildungen b, c und d zeigen, dass die scharfen Kanten der Partikel vor dem Ultraschallfräsen nach dem Ultraschallfräsen glatt und rund geworden sind.

Partikelgrößenverteilung und SEM-Bilder einer Legierung auf Bi2Te3-Basis vor und nach dem Ultraschallfräsen. a – Partikelgrößenverteilung; b – SEM-Bild vor dem Ultraschallfräsen; c – SEM-Bild nach 4-stündigem Ultraschallfräsen; d – SEM-Bild nach 8-stündigem Ultraschallfräsen.
Quelle: Marquez-Garcia et al. 2015.

Um festzustellen, ob die Partikelgröße und die Oberflächenmodifikation ausschließlich durch Ultraschallmahlen erreicht werden, wurden ähnliche Versuche mit einer Hochenergie-Kugelmühle durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass durch 48-stündiges Kugelmahlen (12-mal länger als Ultraschallmahlen) Partikel mit einer Größe von 200-800 nm erzeugt wurden. Die REM-Untersuchung zeigt, dass die scharfen Kanten der Bi₂Te₃-Legierungspartikel bleiben nach dem Fräsen im Wesentlichen unverändert. Diese Ergebnisse zeigen, dass die glatten Kanten ein einzigartiges Merkmal des Ultraschallfräsens sind. Auch die Zeitersparnis beim Ultraschallfräsen (4 Stunden gegenüber 48 Stunden beim Kugelmahlen) ist bemerkenswert.

Partikelgrößenverteilung und SEM-Bilder von Mg2Si vor und nach dem Ultraschallmahlen. (a) Partikelgrößenverteilung; (b) REM-Bild vor der Ultraschallvermahlung; (c) REM-Bild nach der Ultraschallvermahlung in 50% PVP-50% EtOH für 2 Stunden.
Quelle: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) kommen zu dem Schluss, dass das Ultraschallfräsen die Bi₂Te₃ und Mg₂Si-Pulver in kleinere Partikel, deren Größe zwischen 40 und 400 nm liegt, was auf eine potenzielle Technik für die industrielle Herstellung von Nanopartikeln hindeutet. Im Vergleich zum Hochenergie-Kugelmahlen hat das Ultraschallmahlen zwei einzigartige Eigenschaften:

1. 1. das Auftreten einer Partikelgrößenlücke, die die ursprünglichen Partikel von den durch Ultraschallmahlen erzeugten trennt, und
2. 2. nach dem Ultraschallfräsen erhebliche Veränderungen der Oberflächenmorphologie festzustellen sind, was auf die Möglichkeit der Manipulation der Partikeloberflächen hinweist.

Fazit

Das Ultraschallfräsen härterer Partikel erfordert eine Beschallung unter Druck, um intensive Kavitation zu erzeugen. Die Beschallung unter erhöhtem Druck (sog. Manosonication) erhöht die Scherkräfte und die Belastung der Partikel drastisch.
Eine kontinuierliche Inline-Beschallung ermöglicht eine höhere Partikelbelastung (pastenartige Aufschlämmung), was die Mahlergebnisse verbessert, da das Ultraschallmahlen auf der Kollision zwischen den Partikeln beruht.
Die Beschallung in einer diskreten Rezirkulationsanlage ermöglicht eine homogene Behandlung aller Partikel und somit eine sehr enge Partikelgrößenverteilung.

Ein großer Vorteil des Ultraschallfräsens besteht darin, dass die Technologie leicht für die Produktion großer Mengen skaliert werden kann - kommerziell erhältliche, leistungsstarke industrielle Ultraschallfräsen können Mengen bis zu 10 m³/h.

Vorteile des Ultraschallfräsens

• Schnell, zeitsparend
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Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren

Für das Ultraschallfräsen werden Hochleistungs-Ultraschallgeräte benötigt. Um intensive Kavitationsscherkräfte zu erzeugen, sind hohe Amplituden und Drücke entscheidend. Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. In Kombination mit den druckbeaufschlagbaren Strömungsreaktoren von Hielscher wird eine sehr intensive Kavitation erzeugt, so dass intermolekulare Bindungen überwunden und effiziente Fräseffekte erzielt werden können.
Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Die digitale Steuerung und Fernsteuerung sowie die automatische Datenaufzeichnung auf einer eingebauten SD-Karte gewährleisten eine präzise Verarbeitung, reproduzierbare Qualität und ermöglichen eine Prozessstandardisierung.

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