Άλεση θερμοηλεκτρικών νανοσκονών με υπερήχους

Έρευνες έχουν δείξει ότι η άλεση με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για την παραγωγή θερμοηλεκτρικών νανοσωματιδίων και έχει τη δυνατότητα να τροποποιεί τις επιφάνειες των σωματιδίων.
Τα σωματίδια που υποβλήθηκαν σε άλεση με υπερήχους (π.χ. κράμα με βάση το Bi₂Te₃) παρουσίασαν σημαντική μείωση μεγέθους και προέκυψαν νανοσωματίδια με μέγεθος μικρότερο από 10µm.
Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους προκαλεί σημαντικές αλλαγές στη μορφολογία της επιφάνειας των σωματιδίων, επιτρέποντας έτσι τη λειτουργικοποίηση της επιφάνειας μικροσωματιδίων και νανοσωματιδίων.

Θερμοηλεκτρικά νανοσωματίδια

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια βάσει των φαινομένων Seebeck και Peltier. Έτσι καθίσταται δυνατή η αποτελεσματική αξιοποίηση θερμικής ενέργειας που είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί ή χάνεται σχεδόν εξ ολοκλήρου σε παραγωγικές εφαρμογές. Καθώς τα θερμοηλεκτρικά υλικά μπορούν να ενσωματωθούν σε νέες εφαρμογές, όπως βιοθερμικές μπαταρίες, θερμοηλεκτρική ψύξη στερεάς κατάστασης, οπτοηλεκτρονικές διατάξεις, διαστημικές εφαρμογές και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε οχήματα, η έρευνα και η βιομηχανία αναζητούν απλές και γρήγορες τεχνικές για την παραγωγή θερμοηλεκτρικών νανοσωματιδίων που είναι φιλικά προς το περιβάλλον, οικονομικά και σταθερά σε υψηλές θερμοκρασίες. Η άλεση με υπερήχους καθώς και η σύνθεση από κάτω προς τα πάνω (κρυστάλλωση με υπερήχους) αποτελούν δύο πολλά υποσχόμενες οδούς για την ταχεία μαζική παραγωγή θερμοηλεκτρικών νανοϋλικών.

Εξοπλισμός άλεσης με υπερήχους

Για τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων σκόνης τελλουριούχου βισμουθίου (Bi₂Te₃), πυριτιούχου μαγνησίου (Mg₂Si) και πυριτίου (Si), χρησιμοποιήθηκε το σύστημα υπερήχων υψηλής έντασης UIP1000hdT (1kW, 20kHz) σε διάταξη με ανοικτό ποτήρι ζέσεως. Σε όλες τις δοκιμές, το πλάτος ταλάντωσης ρυθμίστηκε στα 140µm. Το δοχείο του δείγματος ψύχεται σε υδατόλουτρο και η θερμοκρασία ελέγχεται με θερμοζεύγος. Λόγω της κατεργασίας με υπερήχους σε ανοικτό δοχείο, χρησιμοποιήθηκε ψύξη για την αποτροπή της εξάτμισης των διαλυμάτων άλεσης (π.χ. αιθανόλη, βουτανόλη ή νερό).

Η άλεση με υπερήχους χρησιμοποιείται επιτυχώς για τη μείωση του μεγέθους των θερμοηλεκτρικών υλικών σε νανοσωματίδια.

(a) Σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης. (b) Συσκευή άλεσης με υπερήχους. πηγή: Marquez-Garcia et al. 2015.

UIP2000hdT – συσκευή υπερήχων υψηλών επιδόσεων 2000W για βιομηχανική άλεση νανοσωματιδίων.

UIP2000hdT με αντιδραστήρα κυψελίδας ροής που μπορεί να τεθεί υπό πίεση

Η διάρκειας μόλις 4h άλεση με υπερήχους του κράματος Bi₂Te₃ παρήγαγε ήδη σημαντική ποσότητα νανοσωματιδίων με μεγέθη μεταξύ 150 και 400 nm. Εκτός από τη μείωση του μεγέθους στη νανοκλίμακα, η κατεργασία με υπερήχους επέφερε επίσης αλλαγή στη μορφολογία της επιφάνειας. Οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) b, c και d στο παρακάτω σχήμα δείχνουν ότι οι αιχμηρές ακμές των σωματιδίων πριν από την άλεση με υπερήχους έγιναν λείες και στρογγυλεμένες μετά την άλεση με υπερήχους.

Άλεση νανοσωματιδίων κράματος με βάση το Bi2Te3 με υπερήχους.

Κατανομή μεγέθους σωματιδίων και εικόνες SEM κράματος με βάση το Bi2Te3 πριν και μετά την άλεση με υπερήχους. a – Κατανομή μεγέθους σωματιδίων· b – Εικόνα SEM πριν από την άλεση με υπερήχους· c – Εικόνα SEM μετά από άλεση με υπερήχους για 4 h· d – Εικόνα SEM μετά από άλεση με υπερήχους για 8 h.
πηγή: Marquez-Garcia et al. 2015.

Για να διαπιστωθεί αν η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων και η τροποποίηση της επιφάνειας επιτυγχάνονται αποκλειστικά με άλεση με υπερήχους, πραγματοποιήθηκαν παρόμοια πειράματα με σφαιρόμυλο υψηλής ενέργειας. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχ. 3. Είναι εμφανές ότι με άλεση σε σφαιρόμυλο για 48 h (12 φορές περισσότερο από την άλεση με υπερήχους) παρήχθησαν σωματίδια μεγέθους 200–800 nm. Η SEM δείχνει ότι οι αιχμηρές ακμές των σωματιδίων του κράματος Bi₂Te₃ παραμένουν ουσιαστικά αμετάβλητες μετά την άλεση. Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οι λείες ακμές αποτελούν μοναδικά χαρακτηριστικά της άλεσης με υπερήχους. Αξιοσημείωτη είναι επίσης η εξοικονόμηση χρόνου με την άλεση με υπερήχους (4 h έναντι 48 h άλεσης σε σφαιρόμυλο).

Κατανομή μεγέθους σωματιδίων και εικόνες SEM του Mg2Si πριν και μετά την άλεση με υπερήχους. (a) Κατανομή μεγέθους σωματιδίων· (b) Εικόνα SEM πριν από την άλεση με υπερήχους· (c) Εικόνα SEM μετά από άλεση με υπερήχους σε 50% PVP–50% EtOH για 2 h.
πηγή: Marquez-Garcia et al. 2015.

Οι Marquez-Garcia et al. (2015) καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η άλεση με υπερήχους μπορεί να κατακερματίσει σκόνη Bi₂Te₃ και Mg₂Si σε μικρότερα σωματίδια, των οποίων τα μεγέθη κυμαίνονται από 40 έως 400 nm, υποδεικνύοντας μια δυνητική τεχνική για τη βιομηχανική παραγωγή νανοσωματιδίων. Σε σύγκριση με την άλεση σε σφαιρόμυλο υψηλής ενέργειας, η άλεση με υπερήχους έχει δύο μοναδικά χαρακτηριστικά:

1. την εμφάνιση ενός κενού στην κατανομή μεγέθους των σωματιδίων, το οποίο διαχωρίζει τα αρχικά σωματίδια από εκείνα που παράγονται με άλεση με υπερήχους· και
2. σημαντικές αλλαγές στη μορφολογία της επιφάνειας είναι εμφανείς μετά την άλεση με υπερήχους, υποδεικνύοντας τη δυνατότητα τροποποίησης των επιφανειών των σωματιδίων.

Συμπέρασμα

Η άλεση σκληρότερων σωματιδίων με υπερήχους απαιτεί κατεργασία με υπερήχους υπό πίεση για τη δημιουργία έντονης σπηλαίωσης. Η κατεργασία με υπερήχους υπό αυξημένη πίεση (η λεγόμενη μανοϋπερηχητική κατεργασία) αυξάνει δραστικά τις δυνάμεις διάτμησης και τη μηχανική καταπόνηση των σωματιδίων.
Μια συνεχής εν σειρά διάταξη κατεργασίας με υπερήχους επιτρέπει υψηλότερη φόρτιση σωματιδίων (πολτός με υφή πάστας), γεγονός που βελτιώνει τα αποτελέσματα της άλεσης, καθώς η άλεση με υπερήχους βασίζεται σε συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων.
Η κατεργασία με υπερήχους σε διακριτή διάταξη ανακυκλοφορίας επιτρέπει τη διασφάλιση ομοιόμορφης κατεργασίας όλων των σωματιδίων και, συνεπώς, μιας πολύ στενής κατανομής μεγέθους σωματιδίων.

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της άλεσης με υπερήχους είναι ότι η τεχνολογία μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων – ο ισχυρός εξοπλισμός βιομηχανικής άλεσης με υπερήχους που διατίθεται στο εμπόριο μπορεί να επεξεργαστεί ποσότητες έως και 10m³/h.

Πλεονεκτήματα της άλεσης με υπερήχους

Ταχεία, με εξοικονόμηση χρόνου
Εξοικονόμηση ενέργειας
Αναπαραγώγιμα αποτελέσματα
Χωρίς μέσα άλεσης (χωρίς σφαιρίδια ή πέρλες)
Χαμηλό κόστος επένδυσης

Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων

Η άλεση με υπερήχους απαιτεί εξοπλισμό υπερήχων υψηλής ισχύος. Για τη δημιουργία έντονων δυνάμεων διάτμησης λόγω σπηλαίωσης, τα υψηλά πλάτη ταλάντωσης και η πίεση είναι καθοριστικής σημασίας. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης διατίθενται εξατομικευμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Σε συνδυασμό με τους αντιδραστήρες ροής της Hielscher που μπορούν να τεθούν υπό πίεση, δημιουργείται πολύ έντονη σπηλαίωση, ώστε να μπορούν να υπερνικηθούν οι διαμοριακοί δεσμοί και να επιτευχθούν αποτελεσματικά αποτελέσματα άλεσης.
Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει λειτουργία 24/7 υπό συνθήκες βαριάς χρήσης και σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Ο ψηφιακός και ο απομακρυσμένος έλεγχος, καθώς και η αυτόματη καταγραφή δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD, εξασφαλίζουν ακριβή επεξεργασία, αναπαραγώγιμη ποιότητα και επιτρέπουν την τυποποίηση της διεργασίας.

Πλεονεκτήματα των συσκευών υπερήχων υψηλών επιδόσεων της Hielscher

πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης
υψηλές πιέσεις
συνεχής εν σειρά διεργασία
ανθεκτικός εξοπλισμός
γραμμική αύξηση κλίμακας
ασφαλής και εύκολος χειρισμός
εύκολος καθαρισμός

Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!

Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για ηχοχημικές εφαρμογές.

Επεξεργαστές υπερήχων υψηλής ισχύος από την εργαστηριακή έως την πιλοτική και τη βιομηχανική κλίμακα.

Βιβλιογραφία/Παραπομπές

Marquez-Garcia L., Li W., Bomphrey J.J., Jarvis D.J., Min G. (2015): Παρασκευή νανοσωματιδίων θερμοηλεκτρικών υλικών με άλεση με υπερήχους. Journal of Electronic Materials 2015.

Σχετικά θέματα

Χρήσιμες πληροφορίες

Θερμοηλεκτρικό φαινόμενο

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά χαρακτηρίζονται από την εμφάνιση του θερμοηλεκτρικού φαινομένου σε έντονη ή κατάλληλη, αξιοποιήσιμη μορφή. Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο αναφέρεται σε φαινόμενα κατά τα οποία είτε μια διαφορά θερμοκρασίας δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό είτε ένα ηλεκτρικό δυναμικό δημιουργεί διαφορά θερμοκρασίας. Αυτά τα φαινόμενα είναι γνωστά ως φαινόμενο Seebeck, το οποίο περιγράφει τη μετατροπή της θερμοκρασίας σε ρεύμα, φαινόμενο Peltier, το οποίο περιγράφει τη μετατροπή του ρεύματος σε θερμοκρασία, και φαινόμενο Thomson, το οποίο περιγράφει τη θέρμανση/ψύξη του αγωγού. Όλα τα υλικά εμφανίζουν μη μηδενικό θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, αλλά στα περισσότερα υλικά είναι πολύ ασθενές για να είναι χρήσιμο. Ωστόσο, υλικά χαμηλού κόστους που εμφανίζουν επαρκώς έντονο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, καθώς και άλλες απαιτούμενες ιδιότητες που επιτρέπουν τη χρήση τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές όπως η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η ψύξη. Επί του παρόντος, το τελλουριούχο βισμούθιο (Bi₂Te₃) χρησιμοποιείται ευρέως για το θερμοηλεκτρικό του φαινόμενο