Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Fresado ultrasónico de nanopolvos termoeléctricos

  • La investigación ha demostrado que la molienda ultrasónica puede utilizarse con éxito para la fabricación de nanopartículas termoeléctricas y tiene el potencial de manipular las superficies de las partículas.
  • Las partículas molidas por ultrasonidos (p.ej. Bi2Te3-) mostró una reducción significativa de tamaño y fabricó nanopartículas con menos de 10µm.
  • Además, la sonicación produce cambios significativos en la morfología de la superficie de las partículas y permite de esta manera la funcionalización de la superficie de las micro y nanopartículas.

Nanopartículas termoeléctricas

Los materiales termoeléctricos convierten la energía térmica en energía eléctrica basándose en el efecto Seebeck y Peltier. De esta manera, es posible convertir de forma efectiva la energía térmica casi inutilizable 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 fáciles 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 (Cristalización de Sonos) son vías prometedoras para la rápida producción en masa de nanomateriales termoeléctricos.

Equipo de fresado por ultrasonido

Para la reducción del tamaño de partícula del telururo de bismuto (Bi2Te3), siliciuro de magnesio (Mg2Si) y silicio (Si) en polvo, el sistema ultrasónico de alta intensidad UIP1000hdT (1kW, 20kHz) se utilizó en una configuración de vaso abierto. Para todos los ensayos se estableció una amplitud de 140 µm. El recipiente de la muestra se enfría en un baño de agua, la temperatura es controlada por un termopar. Debido a la sonicación en un recipiente abierto, se utilizó el enfriamiento para evitar la evaporación de las soluciones de molienda (por ejemplo, etanol, butanol o agua).

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

a) Diagrama esquemático de la instalación experimental. (b) Fuente del aparato de molienda por ultrasonidos: Márquez-García et al. 2015.

UIP2000hdT - un ultrasonido de 2000W de alto rendimiento para el fresado industrial de nano partículas.

UIP2000hdT con reactor de celda de flujo presurizable

Solicitar información




Revise nuestra política de privacidad.


Fresado por ultrasonidos para sólo 4h de Bi2Te3-ya producía una cantidad sustancial de nanopartículas con tamaños entre 150 y 400 nm. Además de la reducción de tamaño a la gama nano, la sonicación también provocó un cambio en la morfología de la superficie. Las imágenes SEM en la figura de abajo b, c, y d muestran que los bordes afilados de las partículas antes del fresado ultrasónico se han vuelto suaves y redondos después del fresado ultrasónico.

Molienda ultrasónica de nanopartículas de aleación basadas en Bi2Te3.

Distribución granulométrica e imágenes SEM de la aleación basada en Bi2Te3 antes y después de la molienda ultrasónica. a – Distribución del tamaño de las partículas; b – Imagen SEM antes del fresado por ultrasonidos; c – Imagen SEM después del fresado ultrasónico durante 4 h; d – Imagen SEM después del fresado por ultrasonidos 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 logran únicamente mediante el fresado ultrasónico, se realizaron experimentos similares utilizando un molino de bolas de alta energía. Los resultados se muestran en la Fig. 3. Es evidente que se produjeron partículas de 200-800 nm por molienda con bolas durante 48 h (12 veces más largas que la molienda por ultrasonidos). SEM muestra que los bordes afilados del Bi2Te3-Las partículas de aleación permanecen esencialmente inalteradas después de la molienda. Estos resultados indican que los bordes lisos son características únicas del fresado ultrasónico. El ahorro de tiempo gracias al fresado por ultrasonidos (4 h frente a 48 h de fresado de bolas) también es notable.

Fresado ultrasónico de Mg2Si.

Distribución granulométrica e imágenes SEM de Mg2Si antes y después de la molienda por ultrasonidos. (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 y otros (2015) concluyen que la molienda ultrasónica puede degradar el Bi2Te3 y Mg2Si en partículas más pequeñas, cuyo tamaño oscila entre 40 y 400 nm, lo que sugiere una técnica potencial para la producción industrial de nanopartículas. En comparación con el fresado de bolas de alta energía, el fresado por ultrasonidos tiene dos características únicas:

  1. 1. La aparición de una ranura de tamaño de partícula que separe las partículas originales de las producidas por la molienda por ultrasonidos; y
  2. 2. Después del fresado por ultrasonidos se observan cambios sustanciales en la morfología de la superficie, lo que indica la posibilidad de manipular las superficies de las partículas.

Conclusión

La molienda ultrasónica de partículas más duras requiere sonicación bajo presión para generar una cavitación intensa. La sonicación bajo 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 fresado, ya que el fresado ultrasónico se basa en la colisión entre partículas.
La sonicación en una configuración de recirculación discreta permite asegurar un tratamiento homogéneo de todas las partículas y por lo tanto una distribución de tamaño de partícula muy estrecha.

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

Ventajas del fresado ultrasónico

  • Rápido, ahorro de tiempo
  • ahorro de energía
  • resultados reproducibles
  • Sin medios de fresado (sin perlas ni perlas)
  • Bajo coste de inversión

Ultrasonidos de alto rendimiento

El fresado por ultrasonidos requiere equipos ultrasónicos de alta potencia. Para generar fuerzas de cizallamiento cavitacionales intensas, las amplitudes y presiones altas son cruciales. Ultrasonido Hielscher’ Los procesadores industriales de ultrasonidos pueden ofrecer amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente ejecutadas de forma continua en funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. En combinación con los reactores de flujo presurizable de Hielscher, se crea una cavitación muy intensa para que se puedan superar las uniones intermoleculares y se logren efectos de molienda eficientes.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos de trabajo pesado y exigentes. El control remoto y digital, así como la grabación automática de datos en una tarjeta SD incorporada, garantizan un procesamiento preciso, una calidad reproducible y permiten la estandarización del proceso.

Ventajas de los ultrasonidos de alto rendimiento de Hielscher

  • amplitudes muy altas
  • altas presiones
  • proceso continuo en línea
  • equipo robusto
  • aumento lineal a gran escala de producción industrial
  • ahorro y facilidad de manejo
  • Fácil de limpiar

Póngase en contacto con nosotros/Envíenos su pregunta

Solicite más información

Por favor, utilice el siguiente formulario si desea más información sobre procesos de homogeneización por ultrasonidos. Estaremos encantados de ofrecerle un equipo ultrasónico que cumpla con sus requerimientos.









Revise nuestra política de privacidad.


Hielscher Ultrasonics fabrica ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones ecoquímicas.

Procesadores ultrasónicos de alta potencia desde laboratorio hasta escala piloto e industrial.

Literatura/Referencias

  • Márquez-García L., Li W., Bomphrey J.J., Jarvis D.J., Min G. (2015): Preparación de Nanopartículas de Materiales Termoeléctricos por Fresado Ultrasónico. Journal of Electronic Materials 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 cuales una diferencia de temperatura crea un potencial eléctrico o un potencial eléctrico crea una diferencia de temperatura. Estos fenómenos se conocen como el efecto Seebeck, que describe la conversión de la temperatura en corriente, el efecto Peltier, que describe la conversión de la corriente en temperatura, y el efecto Thomson, que describe el calentamiento/enfriamiento del conductor. Todos los materiales tienen un efecto termoeléctrico distinto de cero, pero en la mayoría de los materiales es demasiado pequeño para ser útil. Sin embargo, los materiales de bajo coste que presentan 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. Actualmente, el telururo de bismuto (Bi2Te3) es ampliamente utilizado por su efecto termoeléctrico