Fresado ultrasónico de nanopolvos termoeléctricos

  • La investigación ha demostrado que el fresado ultrasónico puede utilizarse con éxito para la fabricación de nanopartículas termoeléctricas y tiene el potencial de manipular las superficies de las partículas.
  • Partículas molidas por ultrasonidos (por ejemplo, Bi2Te3-) mostraron una importante reducción de tamaño y fabricaron nanopartículas de menos de 10 µm.
  • Además, la sonicación produce cambios significativos en la morfología superficial de las partículas y permite así funcionalizar la superficie de las micro y nanopartículas.

nanopartículas termoeléctricas

Los materiales termoeléctricos convierten la energía térmica en energía eléctrica basándose en los efectos Seebeck y Peltier. De este modo, es posible convertir eficazmente la energía térmica apenas utilizable o casi perdida en aplicaciones productivas. Dado que los materiales termoeléctricos pueden incluirse en aplicaciones novedosas como las baterías biotérmicas, la refrigeración termoeléctrica de estado sólido, los dispositivos optoelectrónicos, el espacio y la generación de energía para la automoción, la investigación y la industria buscan técnicas sencillas y rápidas para producir nanopartículas termoeléctricas respetuosas con el medio ambiente, económicas y estables a altas temperaturas. Fresado por ultrasonidos así como la síntesis ascendente (sono-cristalización) son vías prometedoras para la rápida producción en masa de nanomateriales termoeléctricos.

Equipos de fresado por ultrasonidos

Para la reducción del tamaño de las partículas de telururo de bismuto (Bi2Te3), siliciuro de magnesio (Mg2Si) y polvo de silicio (Si), el sistema ultrasónico de alta intensidad UIP1000hdT (1 kW, 20 kHz) en un vaso de precipitados abierto. En todos los ensayos, la amplitud se fijó en 140 µm. El recipiente de la muestra se enfrió en un baño de agua y la temperatura se controló mediante un termoacoplador. Debido a la sonicación en un recipiente abierto, se utilizó refrigeración para evitar la evaporación de las soluciones de molienda (por ejemplo, etanol, butanol o agua).

El fresado ultrasónico se utiliza con éxito para reducir los materiales termoeléctricos a nanopartículas.

(a) Diagrama esquemático del montaje experimental. (b) Aparato de fresado ultrasónico. fuente: Márquez-García et al. 2015.

UIP2000hdT: ultrasonido de alto rendimiento de 2000 W para la molienda industrial de nanopartículas.

UIP2000hdT con reactor de celda de flujo presurizable

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Fresado por ultrasonidos para sólo 4h de Bi2Te3-ya producía una cantidad considerable de nanopartículas de tamaños comprendidos entre 150 y 400 nm. Además de la reducción del tamaño al rango nanométrico, la sonicación también produjo un cambio en la morfología de la superficie. Las imágenes SEM de las figuras b, c y d muestran que los bordes afilados de las partículas antes del fresado por ultrasonidos se han vuelto suaves y redondeados tras el fresado por ultrasonidos.

Fresado ultrasónico de nanopartículas de aleación basadas en Bi2Te3.

Distribución del tamaño de las partículas e imágenes SEM de la aleación basada en Bi2Te3 antes y después del fresado ultrasónico. a – Distribución granulométrica; b – Imagen SEM antes del fresado ultrasónico; c – Imagen SEM tras el fresado ultrasónico durante 4 h; d – Imagen SEM tras el fresado ultrasónico durante 8 h.
fuente: Márquez-García et al. 2015.

Para determinar si la reducción del tamaño de las partículas y la modificación de la superficie se consiguen únicamente mediante el fresado por ultrasonidos, se realizaron experimentos similares utilizando un molino de bolas de alta energía. Los resultados se muestran en la Fig. 3. Se observa que se produjeron partículas de 200-800 nm mediante molienda con bolas durante 48 h (12 veces más que la molienda ultrasónica). El SEM muestra que los bordes afilados de las partículas de Bi2Te3-Las partículas de aleación permanecen esencialmente inalteradas tras el fresado. Estos resultados indican que los bordes lisos son características exclusivas del fresado por ultrasonidos. También es notable el ahorro de tiempo que supone el fresado por ultrasonidos (4 h frente a 48 h de fresado con bolas).

Fresado ultrasónico de Mg2Si.

Distribución del tamaño de las partículas e imágenes SEM de Mg2Si antes y después de la molienda ultrasónica. (a) Distribución del tamaño de las partículas; (b) Imagen SEM antes de la molienda ultrasónica; (c) Imagen SEM después de la molienda ultrasónica en 50% PVP-50% EtOH durante 2 h.
fuente: Márquez-García et al. 2015.

Márquez-García et al. (2015) concluyen que el fresado ultrasónico puede degradar el Bi2Te3 y Mg2Si en partículas más pequeñas, cuyos tamaños oscilan entre 40 y 400 nm, lo que sugiere una técnica potencial para la producción industrial de nanopartículas. En comparación con la molienda por bolas de alta energía, la molienda por ultrasonidos presenta dos características únicas:

  1. 1. la aparición de una brecha granulométrica que separa las partículas originales de las producidas por el fresado ultrasónico; y
  2. 2. tras el fresado ultrasónico se aprecian cambios sustanciales en la morfología de la superficie, lo que indica la posibilidad de manipular las superficies de las partículas.

Conclusión

El fresado por ultrasonidos de partículas más duras requiere sonicación bajo presión para generar una cavitación intensa. La sonicación a presión elevada (la llamada manosonicación) aumenta drásticamente las fuerzas de cizallamiento y la tensión de las partículas.
Una configuración de sonicación en línea continua permite una mayor carga de partículas (lechada pastosa), lo que mejora los resultados de la molienda, ya que la molienda por ultrasonidos se basa en la colisión entre partículas.
La sonicación en una configuración de recirculación discreta permite garantizar un tratamiento homogéneo de todas las partículas y, por tanto, una distribución muy estrecha del tamaño de las partículas.

Una de las principales ventajas del fresado por ultrasonidos es que la tecnología puede ampliarse fácilmente para la producción de grandes cantidades: el potente fresado industrial por ultrasonidos disponible en el mercado puede procesar cantidades de hasta 10 m.3/h.

Ventajas del fresado por ultrasonidos

  • Rapidez y ahorro de tiempo
  • ahorro de energía
  • Reproducible results
  • Sin medios de molturación (sin perlas ni cuentas)
  • Bajo coste de inversión

High Performance Ultrasonicators

El fresado por ultrasonidos requiere equipos ultrasónicos de alta potencia. Para generar fuerzas de cizallamiento cavitacionales intensas, son cruciales unas amplitudes y una presión elevadas. Hielscher Ultrasonidos’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden suministrar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. En combinación con los reactores de flujo presurizables de Hielscher, se crea una cavitación muy intensa que permite superar los enlaces intermoleculares y conseguir efectos de fresado eficaces.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes. El control digital y remoto, así como el registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, garantizan un procesamiento preciso, una calidad reproducible y permiten la estandarización del proceso.

Ventajas de los ultrasonidos de alto rendimiento de Hielscher

  • amplitudes muy elevadas
  • altas presiones
  • Proceso continuo en línea
  • equipos robustos
  • aumento lineal a gran escala de producción industrial
  • ahorro y facilidad de uso
  • Fácil de limpiar

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Hielscher Ultrasonics manufactures high-performance ultrasonicators for sonochemical applications.

High-power ultrasonic processors from lab to pilot and industrial scale.

Literatura/Referencias

  • Márquez-García L., Li W., Bomphrey J.J., Jarvis D.J., Min G. (2015): Preparación de Nanopartículas de Materiales Termoeléctricos por Molienda Ultrasónica. Revista de materiales electrónicos 2015.


Información interesante

Efecto termoeléctrico

Los materiales termoeléctricos se caracterizan por mostrar el efecto termoeléctrico en una forma fuerte o conveniente y utilizable. El efecto termoeléctrico se refiere a los fenómenos por los que una diferencia de temperatura crea un potencial eléctrico o un potencial eléctrico crea una diferencia de temperatura. Estos fenómenos se conocen como efecto Seebeck, que describe la conversión de temperatura en corriente, efecto Peltier, que describe la conversión de corriente en temperatura, y efecto Thomson, que describe el calentamiento/enfriamiento del conductor. Todos los materiales tienen un efecto termoeléctrico distinto de cero, pero en la mayoría de ellos es demasiado pequeño para ser útil. Sin embargo, los materiales de bajo coste que muestran un efecto termoeléctrico suficientemente fuerte, así como otras propiedades necesarias para hacerlos aplicables, pueden utilizarse en aplicaciones como la generación de energía y la refrigeración. En la actualidad, el telururo de bismuto (Bi2Te3) se utiliza mucho por su efecto termoeléctrico

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