آسیاب‌کاری فراصوتی نانوپودرهای ترموالکتریک

• پژوهش‌ها نشان داده‌اند که آسیاب‌کاری فراصوتی را می‌توان با موفقیت برای تولید نانوذرات ترموالکتریک به کار برد و این روش قابلیت دست‌کاری سطح ذرات را دارد.
• ذرات آسیاب‌شده با فراصوت (برای مثال، آلیاژ مبتنی بر Bi₂Te₃) کاهش اندازهٔ چشمگیری نشان دادند و نانوذراتی با اندازهٔ کمتر از 10µm تولید شدند.
• افزون بر این، فراصوت‌دهی تغییرات چشمگیری در ریخت‌شناسی سطح ذرات ایجاد می‌کند و از این طریق امکان عامل‌دار کردن سطح ریزذرات و نانوذرات را فراهم می‌سازد.

نانوذرات ترموالکتریک

مواد ترموالکتریک بر پایهٔ اثرهای سیبک و پلتیه، انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. از این طریق می‌توان انرژی گرمایی را که به‌سختی قابل استفاده است یا تقریباً از دست می‌رود، به‌طور مؤثر در کاربردهای مولد به کار گرفت. از آنجا که مواد ترموالکتریک می‌توانند در کاربردهای نوینی مانند باتری‌های زیست‌گرمایی، سرمایش ترموالکتریک حالت‌جامد، ادوات اپتوالکترونیکی و تولید برق در فضا و خودروها به کار روند، پژوهشگران و صنعت در جست‌وجوی روش‌هایی ساده و سریع برای تولید نانوذرات ترموالکتریک سازگار با محیط‌زیست، مقرون‌به‌صرفه و پایدار در دماهای بالا هستند. آسیاب‌کاری فراصوتی و نیز سنتز پایین‌به‌بالا (تبلور فراصوتی) دو مسیر نویدبخش برای تولید انبوه و سریع نانومواد ترموالکتریک هستند.

تجهیزات آسیاب‌کاری فراصوتی

برای کاهش اندازهٔ ذرات پودر تلورید بیسموت (Bi₂Te₃)، سیلیسید منیزیم (Mg₂Si) و سیلیسیم (Si)، از سامانهٔ فراصوتی با شدت بالای UIP1000hdT (1kW, 20kHz) در آرایشی با بشر روباز استفاده شد. در تمام آزمایش‌ها، دامنه روی 140µm تنظیم شد. ظرف نمونه در حمام آب خنک می‌شود و دما با ترموکوپل کنترل می‌شود. به‌دلیل انجام فراصوت‌دهی در ظرف روباز، از خنک‌کاری برای جلوگیری از تبخیر محلول‌های آسیاب‌کاری (برای مثال، اتانول، بوتانول یا آب) استفاده شد.

(a) نمودار شماتیک آرایش آزمایش. (b) دستگاه آسیاب‌کاری فراصوتی. منبع: Marquez-Garcia et al. 2015.

آسیاب‌کاری فراصوتی تنها به‌مدت 4h روی آلیاژ Bi₂Te₃ به تولید مقدار قابل‌توجهی نانوذره با اندازه‌هایی بین 150 و 400 nm انجامید. فراصوت‌دهی، افزون بر کاهش اندازه تا محدودهٔ نانو، موجب تغییر ریخت‌شناسی سطح نیز شد. تصاویر SEM در بخش‌های b، c و d شکل زیر نشان می‌دهند که لبه‌های تیز ذرات پیش از آسیاب‌کاری فراصوتی، پس از آسیاب‌کاری فراصوتی صاف و گرد شده‌اند.

توزیع اندازهٔ ذرات و تصاویر SEM آلیاژ مبتنی بر Bi2Te3 پیش و پس از آسیاب‌کاری فراصوتی. a – توزیع اندازهٔ ذرات؛ b – تصویر SEM پیش از آسیاب‌کاری فراصوتی؛ c – تصویر SEM پس از آسیاب‌کاری فراصوتی به‌مدت 4 h؛ d – تصویر SEM پس از آسیاب‌کاری فراصوتی به‌مدت 8 h.
منبع: Marquez-Garcia et al. 2015.

برای تعیین اینکه آیا کاهش اندازهٔ ذرات و اصلاح سطح منحصراً با آسیاب‌کاری فراصوتی حاصل می‌شوند، آزمایش‌های مشابهی با استفاده از آسیاب گلوله‌ای پرانرژی انجام شد. نتایج در شکل 3 نشان داده شده‌اند. آشکار است که ذراتی با اندازهٔ 200–800 nm با آسیاب‌کاری گلوله‌ای به‌مدت 48 h (12 برابر طولانی‌تر از آسیاب‌کاری فراصوتی) تولید شدند. SEM نشان می‌دهد که لبه‌های تیز ذرات آلیاژ Bi₂Te₃ پس از آسیاب‌کاری اساساً بدون تغییر باقی می‌مانند. این نتایج نشان می‌دهند که لبه‌های صاف از ویژگی‌های منحصربه‌فرد آسیاب‌کاری فراصوتی هستند. صرفه‌جویی در زمان با آسیاب‌کاری فراصوتی (4 h در برابر 48 h آسیاب‌کاری گلوله‌ای) نیز چشمگیر است.

توزیع اندازهٔ ذرات و تصاویر SEM از Mg2Si پیش و پس از آسیاب‌کاری فراصوتی. (a) توزیع اندازهٔ ذرات؛ (b) تصویر SEM پیش از آسیاب‌کاری فراصوتی؛ (c) تصویر SEM پس از آسیاب‌کاری فراصوتی در 50% PVP–50% EtOH به‌مدت 2 h.
منبع: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) نتیجه می‌گیرند که آسیاب‌کاری فراصوتی می‌تواند پودرهای Bi₂Te₃ و Mg₂Si را به ذرات کوچک‌تری با اندازه‌هایی در محدودهٔ 40 تا 400 nm خرد کند؛ این امر حاکی از قابلیت این روش برای تولید صنعتی نانوذرات است. در مقایسه با آسیاب‌کاری گلوله‌ای پرانرژی، آسیاب‌کاری فراصوتی دو ویژگی منحصربه‌فرد دارد:

1. 1. ایجاد شکافی در اندازهٔ ذرات که ذرات اولیه را از ذرات تولیدشده با آسیاب‌کاری فراصوتی جدا می‌کند؛ و
2. 2. تغییرات چشمگیر در ریخت‌شناسی سطح پس از آسیاب‌کاری فراصوتی آشکار است که نشان‌دهندهٔ امکان دست‌کاری سطح ذرات است.

نتیجه‌گیری

آسیاب‌کاری فراصوتی ذرات سخت‌تر، برای ایجاد کاویتاسیون شدید به فراصوت‌دهی تحت فشار نیاز دارد. فراصوت‌دهی در فشار بالاتر (موسوم به مانوسونیکیشن) نیروهای برشی و تنش وارد بر ذرات را به‌شدت افزایش می‌دهد.
آرایش فراصوت‌دهی پیوستهٔ درون‌خطی امکان بارگذاری بیشتر ذرات (دوغاب خمیرمانند) را فراهم می‌کند؛ این امر نتایج آسیاب‌کاری را بهبود می‌بخشد، زیرا آسیاب‌کاری فراصوتی بر برخورد بین ذرات استوار است.
فراصوت‌دهی در آرایش بازگردش ناپیوسته، امکان اطمینان از فرآوری یکنواخت تمام ذرات و در نتیجه دستیابی به توزیع بسیار باریک اندازهٔ ذرات را فراهم می‌سازد.

یکی از مزایای اصلی آسیاب‌کاری فراصوتی این است که مقیاس این فناوری را می‌توان به‌آسانی برای تولید مقادیر زیاد افزایش داد – تجهیزات قدرتمند آسیاب‌کاری فراصوتی صنعتی که به‌صورت تجاری عرضه می‌شوند، می‌توانند مقادیری تا سقف 10m³/h را پردازش کنند.

مزایای آسیاب‌کاری فراصوتی

• سریع و صرفه‌جو در زمان
• صرفه‌جویی در انرژی
• نتایج تکرارپذیر
• بدون واسطه‌های آسیاب‌کاری (بدون مهره یا دانه‌های کروی)
• هزینهٔ سرمایه‌گذاری پایین

سونیکاتورهای با عملکرد بالا

آسیاب‌کاری فراصوتی به تجهیزات فراصوتی پرتوان نیاز دارد. برای ایجاد نیروهای برشی شدید ناشی از کاویتاسیون، دامنه‌ها و فشار بالا ضروری هستند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در بهره‌برداری 24/7 به‌آسانی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. در ترکیب با راکتورهای جریان قابل فشارگذاری Hielscher، کاویتاسیون بسیار شدیدی ایجاد می‌شود، به‌طوری که می‌توان بر پیوندهای بین‌مولکولی غلبه کرد و به اثرات کارآمد آسیاب‌کاری دست یافت.
استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار فراهم می‌کند. کنترل دیجیتال و از راه دور، همراه با ثبت خودکار داده‌ها روی کارت SD داخلی، فرآوری دقیق و کیفیت تکرارپذیر را تضمین کرده و امکان استانداردسازی فرایند را فراهم می‌سازند.

مزایای سونیکاتورهای با عملکرد بالای Hielscher

• دامنه‌های بسیار بالا
• فشارهای بالا
• فرایند پیوستهٔ درون‌خطی
• تجهیزات مستحکم
• افزایش مقیاس خطی
• ایمن و آسان برای کاربری
• تمیزکاری آسان