Broyage par ultrasons de nanopoudres thermoélectriques

• Des recherches ont montré que le broyage par ultrasons peut être utilisé avec succès pour fabriquer des nanoparticules thermoélectriques et qu’il offre la possibilité de modifier la surface des particules.
• Les particules broyées par ultrasons (par exemple, un alliage à base de Bi₂Te₃) ont présenté une réduction significative de leur taille, avec la production de nanoparticules de moins de 10µm.
• En outre, la sonication entraîne des changements significatifs de la morphologie de surface des particules et permet ainsi de fonctionnaliser la surface des microparticules et des nanoparticules.

Nanoparticules thermoélectriques

Les matériaux thermoélectriques convertissent l’énergie thermique en énergie électrique grâce aux effets Seebeck et Peltier. Il devient ainsi possible d’exploiter efficacement, dans des applications productives, une énergie thermique difficilement utilisable ou presque perdue. Comme les matériaux thermoélectriques peuvent être intégrés à de nouvelles applications telles que les batteries biothermiques, le refroidissement thermoélectrique à l’état solide, les dispositifs optoélectroniques et la production d’électricité dans les secteurs spatial et automobile, la recherche et l’industrie cherchent des techniques simples et rapides pour produire des nanoparticules thermoélectriques respectueuses de l’environnement, économiques et stables à haute température. Le broyage par ultrasons ainsi que la synthèse ascendante (sonocristallisation) constituent deux voies prometteuses pour la production rapide à grande échelle de nanomatériaux thermoélectriques.

Équipement de broyage par ultrasons

Pour réduire la taille des particules de poudre de tellurure de bismuth (Bi₂Te₃), de siliciure de magnésium (Mg₂Si) et de silicium (Si), le système à ultrasons de haute intensité UIP1000hdT (1kW, 20kHz) a été utilisé dans un montage avec un bécher ouvert. Pour tous les essais, l’amplitude a été réglée à 140µm. Le récipient contenant l’échantillon est refroidi dans un bain d’eau et la température est contrôlée par un thermocouple. La sonication étant réalisée dans un récipient ouvert, le refroidissement a été utilisé pour empêcher l’évaporation des solutions de broyage (par exemple, l’éthanol, le butanol ou l’eau).

(a) Schéma du montage expérimental. (b) Appareil de broyage par ultrasons. source : Marquez-Garcia et al. 2015.

Le broyage par ultrasons pendant seulement 4h de l’alliage Bi₂Te₃ a déjà produit une quantité importante de nanoparticules dont la taille est comprise entre 150 et 400 nm. Outre la réduction de la taille à l’échelle nanométrique, la sonication a également entraîné une modification de la morphologie de surface. Les images de microscopie électronique à balayage (MEB) b, c et d de la figure ci-dessous montrent que les arêtes vives des particules avant le broyage par ultrasons sont devenues lisses et arrondies après celui-ci.

Distribution granulométrique et images MEB d’un alliage à base de Bi2Te3 avant et après le broyage par ultrasons. a – Distribution granulométrique ; b – Image MEB avant le broyage par ultrasons ; c – Image MEB après 4 h de broyage par ultrasons ; d – Image MEB après 8 h de broyage par ultrasons.
source : Marquez-Garcia et al. 2015.

Pour déterminer si la réduction de la taille des particules et la modification de leur surface sont propres au broyage par ultrasons, des expériences similaires ont été réalisées à l’aide d’un broyeur à boulets à haute énergie. Les résultats sont présentés à la Fig. 3. Il apparaît que des particules de 200–800 nm ont été produites par broyage à boulets pendant 48 h (soit une durée 12 fois plus longue que celle du broyage par ultrasons). La MEB montre que les arêtes vives des particules d’alliage Bi₂Te₃ restent essentiellement inchangées après le broyage. Ces résultats indiquent que les arêtes lisses constituent une caractéristique propre au broyage par ultrasons. Le gain de temps obtenu par le broyage par ultrasons (4 h contre 48 h de broyage à boulets) est également remarquable.

Distribution granulométrique et images MEB de Mg2Si avant et après le broyage par ultrasons. (a) Distribution granulométrique ; (b) Image MEB avant le broyage par ultrasons ; (c) Image MEB après le broyage par ultrasons dans 50% PVP–50% EtOH pendant 2 h.
source : Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluent que le broyage par ultrasons peut réduire les poudres de Bi₂Te₃ et de Mg₂Si en particules plus petites, dont la taille varie de 40 à 400 nm, ce qui laisse entrevoir une technique potentielle pour la production industrielle de nanoparticules. Par rapport au broyage à boulets à haute énergie, le broyage par ultrasons présente deux caractéristiques propres :

1. 1. l’apparition d’un intervalle granulométrique séparant les particules d’origine de celles produites par le broyage par ultrasons ; et
2. 2. des changements importants de la morphologie de surface sont visibles après le broyage par ultrasons, ce qui indique la possibilité de modifier la surface des particules.

Conclusion

Le broyage par ultrasons de particules plus dures nécessite une sonication sous pression pour générer une cavitation intense. La sonication sous pression élevée (appelée manosonication) augmente considérablement les forces de cisaillement et les contraintes exercées sur les particules.
Un montage de sonication en ligne en continu permet une charge en particules plus élevée (suspension pâteuse), ce qui améliore les résultats du broyage, puisque le broyage par ultrasons repose sur les collisions entre particules.
La sonication dans un montage à recirculation discontinu permet d’assurer un traitement homogène de toutes les particules et, par conséquent, une distribution granulométrique très étroite.

Un avantage majeur du broyage par ultrasons est que cette technologie peut facilement être mise à l’échelle pour produire de grandes quantités – les équipements industriels puissants de broyage par ultrasons disponibles dans le commerce peuvent traiter des volumes allant jusqu’à 10m³/h.

Avantages du broyage par ultrasons

• Rapide, gain de temps
• Économies d’énergie
• Résultats reproductibles
• Aucun corps broyant (ni billes ni perles)
• Faible coût d’investissement

Appareils à ultrasons haute performance

Le broyage par ultrasons nécessite des équipements à ultrasons de forte puissance. Pour générer des forces de cisaillement intenses dues à la cavitation, des amplitudes et une pression élevées sont essentielles. Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores sur mesure sont disponibles. Associées aux réacteurs à circulation pressurisables de Hielscher, elles génèrent une cavitation très intense, permettant de rompre les liaisons intermoléculaires et d’obtenir un broyage efficace.
La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 sous forte charge et dans des environnements exigeants. La commande numérique et à distance ainsi que l’enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée assurent un traitement précis, une qualité reproductible et permettent la standardisation du procédé.

Avantages des appareils à ultrasons haute performance de Hielscher

• amplitudes très élevées
• pressions élevées
• procédé en ligne en continu
• équipements robustes
• mise à l’échelle linéaire
• sûrs et faciles à utiliser
• faciles à nettoyer