Υπερήχων άλεση θερμοηλεκτρικών νανο-σκονών

• Η έρευνα έχει δείξει ότι η άλεση υπερήχων μπορεί να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την κατασκευή θερμοηλεκτρικών νανοσωματιδίων και έχει τη δυνατότητα να χειριστεί τις επιφάνειες των σωματιδίων.
• Υπερηχητικά αλεσμένα σωματίδια (π.χ. Bi₂Τε₃-με βάση το κράμα) έδειξε σημαντική μείωση μεγέθους και κατασκεύασε νανοσωματίδια με λιγότερο από 10μm.
• Επιπλέον, κατεργασία με υπερήχους παράγει σημαντικές αλλαγές στην επιφανειακή μορφολογία των σωματιδίων και επιτρέπει έτσι τη λειτουργία της επιφάνειας των μικρο- και νανο-σωματιδίων.

θερμοηλεκτρικά νανοσωματίδια

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια με βάση το φαινόμενο Seebeck και Peltier. Με αυτόν τον τρόπο καθίσταται δυνατή η αποτελεσματική μετατροπή της δύσκολα χρησιμοποιήσιμης ή σχεδόν χαμένης θερμικής ενέργειας σε παραγωγικές εφαρμογές. Δεδομένου ότι τα θερμοηλεκτρικά υλικά μπορούν να συμπεριληφθούν σε νέες εφαρμογές όπως οι βιοθερμικές μπαταρίες, η θερμοηλεκτρική ψύξη στερεάς κατάστασης, οι οπτοηλεκτρονικές συσκευές, το διάστημα και η παραγωγή ενέργειας από αυτοκίνητα, η έρευνα και η βιομηχανία αναζητούν εύκολες και γρήγορες τεχνικές για την παραγωγή φιλικών προς το περιβάλλον, οικονομικών και σταθερών θερμοηλεκτρικών νανοσωματιδίων υψηλής θερμοκρασίας. υπερήχων άλεση καθώς και σύνθεση από τη βάση προς την κορυφή (sono-κρυστάλλωση) είναι ελπιδοφόρες οδοί προς την ταχεία μαζική παραγωγή θερμοηλεκτρικών νανοϋλικών.

Υπερηχητικός εξοπλισμός άλεσης

Για τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων του τελλουριούχου βισμούθιου (Bi₂Τε₃), πυριτίδιο μαγνησίου (Mg₂Si) και σκόνη πυριτίου (Si), το σύστημα υπερήχων υψηλής έντασης UIP1000hdT (1kW, 20kHz) χρησιμοποιήθηκε σε εγκατάσταση ανοιχτού ποτηριού. Για όλες τις δοκιμές το πλάτος ορίστηκε στα 140μm. Το δοχείο δείγματος ψύχεται σε υδατόλουτρο, η θερμοκρασία ελέγχεται με θερμοζεύγος. Λόγω υπερήχων σε ανοικτό δοχείο, η ψύξη χρησιμοποιήθηκε για να αποφευχθεί η εξάτμιση των διαλυμάτων άλεσης (π.χ. αιθανόλη, βουτανόλη ή νερό).

α) Σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης. β) Συσκευή άλεσης υπερήχων. πηγή: Marquez-Garcia et al. 2015.

Υπερήχων άλεση για μόνο 4 ώρες Bi₂Τε₃-κράμα που έχει ήδη παραχθεί σε σημαντική ποσότητα νανοσωματιδίων μεγέθους μεταξύ 150 και 400 nm. Εκτός από τη μείωση του μεγέθους στο νανο εύρος, κατεργασία με υπερήχους οδήγησε επίσης σε αλλαγή της μορφολογίας της επιφάνειας. Οι εικόνες SEM στο παρακάτω σχήμα b, c και d δείχνουν ότι οι αιχμηρές άκρες των σωματιδίων πριν από την άλεση υπερήχων έχουν γίνει ομαλές και στρογγυλές μετά από άλεση υπερήχων.

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

Για να προσδιοριστεί εάν η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων και η τροποποίηση της επιφάνειας επιτυγχάνονται μοναδικά με υπερηχητική άλεση, παρόμοια πειράματα διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας ένα μύλο σφαιρών υψηλής ενέργειας. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο σχήμα 3. Είναι προφανές ότι τα σωματίδια 200-800 nm παρήχθησαν με άλεση σφαιρών για 48 ώρες (12 φορές περισσότερο από την άλεση υπερήχων). Το SEM δείχνει ότι οι αιχμηρές άκρες του Bi₂Τε₃-τα σωματίδια κραμάτων παραμένουν ουσιαστικά αμετάβλητα μετά την άλεση. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ομαλές άκρες είναι μοναδικά χαρακτηριστικά της άλεσης υπερήχων. Εξοικονόμηση χρόνου με υπερήχων άλεση (4 h vs 48 h άλεση μπάλα) είναι αξιοσημείωτη, πάρα πολύ.

Κατανομή μεγέθους σωματιδίων και εικόνες SEM του Mg2Si πριν και μετά την άλεση υπερήχων. α) κατανομή μεγέθους σωματιδίων· β) εικόνα SEM πριν από την άλεση με υπερήχους· (γ) Εικόνα SEM μετά από άλεση υπερήχων σε 50% PVP-50% EtOH για 2 ώρες.
πηγή: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η άλεση υπερήχων μπορεί να υποβαθμίσει το Bi₂Τε₃ και Mg₂Si σκόνη σε μικρότερα σωματίδια, τα μεγέθη των οποίων κυμαίνονται από 40 έως 400 nm, υποδηλώνοντας μια πιθανή τεχνική για τη βιομηχανική παραγωγή νανοσωματιδίων. Σε σύγκριση με την άλεση σφαιρών υψηλής ενέργειας, η άλεση υπερήχων έχει δύο μοναδικά χαρακτηριστικά:

1. 1. την εμφάνιση κενού μεγέθους σωματιδίων που χωρίζει τα αρχικά σωματίδια από εκείνα που παράγονται με υπερήχων άλεση. και
2. 2. Ουσιαστικές αλλαγές στη μορφολογία της επιφάνειας είναι εμφανείς μετά από άλεση με υπερήχους, υποδεικνύοντας τη δυνατότητα χειρισμού των επιφανειών των σωματιδίων.

Συμπέρασμα

Υπερήχων άλεση σκληρότερων σωματιδίων απαιτεί υπερήχηση υπό πίεση για να δημιουργήσει έντονη σπηλαίωση. Κατεργασία με υπερήχους υπό αυξημένη πίεση (λεγόμενη manosonication) αυξάνει δραστικά τις δυνάμεις διάτμησης και την πίεση στα σωματίδια.
Μια συνεχής ενσωματωμένη ρύθμιση υπερήχων επιτρέπει υψηλότερο φορτίο σωματιδίων (πολτός που μοιάζει με πάστα), η οποία βελτιώνει τα αποτελέσματα άλεσης, καθώς η άλεση υπερήχων βασίζεται σε σύγκρουση μεταξύ σωματιδίων.
Υπερήχηση σε μια διακριτή ρύθμιση ανακυκλοφορίας επιτρέπει να εξασφαλιστεί μια ομοιογενής επεξεργασία όλων των σωματιδίων και ως εκ τούτου μια πολύ στενή κατανομή μεγέθους σωματιδίων.

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της άλεσης υπερήχων είναι ότι η τεχνολογία μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων - εμπορικά διαθέσιμο, ισχυρό βιομηχανικό υπερηχητικό άλεσμα μπορεί να χειριστεί ποσότητες μέχρι 10m³/η.

Πλεονεκτήματα της άλεσης υπερήχων

• Γρήγορη εξοικονόμηση χρόνου
• Εξοικονόμηση ενέργειας
• Αναπαραγώγιμα αποτελέσματα
• Χωρίς μέσα άλεσης (χωρίς χάντρες ή μαργαριτάρια)
• Χαμηλό κόστος επένδυσης

Υπερήχων υψηλής απόδοσης

Υπερήχων άλεση απαιτεί υψηλής ισχύος υπερήχων εξοπλισμό. Προκειμένου να δημιουργηθούν έντονες δυνάμεις διάτμησης σπηλαίωσης, τα υψηλά πλάτη και η πίεση είναι ζωτικής σημασίας. Hielscher Υπέρηχοι’ Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων μπορούν να προσφέρουν πολύ υψηλά πλάτη. Πλάτη έως 200μm μπορούν εύκολα να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Σε συνδυασμό με τους αντιδραστήρες ροής υπό πίεση της Hielscher, δημιουργείται πολύ έντονη σπηλαίωση έτσι ώστε να ξεπεραστούν οι διαμοριακοί δεσμοί και να επιτευχθούν αποτελεσματικά αποτελέσματα άλεσης.
Η ευρωστία του υπερηχητικού εξοπλισμού Hielscher επιτρέπει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία σε βαρέα καθήκοντα και σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Ο ψηφιακός και απομακρυσμένος έλεγχος καθώς και η αυτόματη καταγραφή δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD εξασφαλίζουν ακριβή επεξεργασία, αναπαραγώγιμη ποιότητα και επιτρέπουν την τυποποίηση της διαδικασίας.

Πλεονεκτήματα των Hielscher υψηλής απόδοσης υπερήχων

• πολύ μεγάλα πλάτη
• υψηλές πιέσεις
• Συνεχής ενσωματωμένη διαδικασία
• Στιβαρός εξοπλισμός
• Γραμμική κλιμάκωση
• Αποθήκευση και εύκολος χειρισμός
• Εύκολος καθαρισμός