Technologie des ultrasons Hielscher

Broyage par ultrasons de nanopoudres thermoélectriques

  • La recherche a montré que le fraisage par ultrasons peut être utilisé avec succès pour la fabrication de nanoparticules thermoélectriques et a le potentiel de manipuler les surfaces des particules.
  • Particules broyées par ultrasons (p. ex. Bi2Te3-) a montré une réduction significative de la taille et des nanoparticules fabriquées avec moins de 10µm.
  • De plus, la sonication produit des changements significatifs de la morphologie de surface des particules et permet ainsi de fonctionnaliser la surface des micro et nanoparticules.

 

Nanoparticules thermoélectriques

Les matériaux thermoélectriques convertissent l'énergie thermique en énergie électrique sur la base de l'effet Seebeck et Peltier. Il devient ainsi possible de transformer efficacement de l'énergie thermique difficilement utilisable ou presque perdue en applications productives. Puisque les matériaux thermoélectriques peuvent être utilisés dans de nouvelles applications telles que les batteries biothermiques, le refroidissement thermoélectrique à l'état solide, les dispositifs optoélectroniques, l'espace et la production d'énergie automobile, la recherche et l'industrie recherchent des techniques simples et rapides pour produire des nanoparticules thermoélectriques écologiques, économiques et stables à haute température. Fraisage par ultrasons ainsi qu'une synthèse ascendante (Sono-Cristallisation) sont des voies prometteuses pour la production rapide en série de nanomatériaux thermoélectriques.

Équipement de fraisage par ultrasons

Pour la réduction granulométrique du tellurure de bismuth (Bi2Te3), siliciure de magnésium (Mg2Si) et de poudre de silicium (Si), le système à ultrasons à haute intensité UIP1000hdT (1kW, 20kHz) a été utilisé dans un bécher ouvert. Pour tous les essais, l'amplitude a été fixée à 140µm. Le récipient d'échantillon est refroidi dans un bain-marie, la température est contrôlée par thermocouple. En raison de la sonication dans un récipient ouvert, le refroidissement a été utilisé pour empêcher l'évaporation des solutions de broyage (p. ex., éthanol, butanol ou eau).

Le fraisage par ultrasons est utilisé avec succès pour réduire les matériaux thermoélectriques en nanoparticules.

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

UIP2000hdT - un ultrasoniseur haute performance de 2000W pour le fraisage industriel de nanoparticules.

UIP2000hdT avec réacteur à cellule d'écoulement pressurisable

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Fraisage par ultrasons pour seulement 4h de Bi2Te3-L'alliage a déjà produit une quantité substantielle de nanoparticules de taille comprise entre 150 et 400 nm. Outre la réduction de la taille à la gamme nanométrique, la sonication a également entraîné une modification de la morphologie de la surface. Les images SEM des figures b, c et d ci-dessous montrent que les arêtes vives des particules avant le fraisage par ultrasons sont devenues lisses et rondes après le fraisage par ultrasons.

Fraisage par ultrasons de nanoparticules d'alliage à base de Bi2Te3.

Répartition granulométrique et images MEB de l'alliage à base de Bi2Te3 avant et après le broyage par ultrasons. a – Distribution de la taille des particules ; b – Image MEB avant le fraisage par ultrasons ; c – Image SEM après fraisage par ultrasons pendant 4 h ; d – Image SEM après le fraisage par ultrasons pendant 8 h.
source : Marquez-Garcia et al. 2015.

Pour déterminer si la réduction de la taille des particules et la modification de la surface sont le seul résultat du broyage par ultrasons, des expériences similaires ont été menées avec un broyeur à boulets à haute énergie. Les résultats sont présentés à la Fig. 3. Il est évident que des particules de 200-800 nm ont été produites par broyage à billes pendant 48 h (12 fois plus longtemps que le broyage par ultrasons). SEM montre que les arêtes vives du Bi2Te3-Les particules d'alliage restent essentiellement inchangées après le broyage. Ces résultats indiquent que les bords lisses sont des caractéristiques uniques du fraisage par ultrasons. Le gain de temps par fraisage ultrasonique (4 h contre 48 h pour le fraisage de billes) est également remarquable.

Fraisage par ultrasons de Mg2Si.

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

Marquez-Garcia et ses collaborateurs (2015) concluent que le broyage par ultrasons peut dégrader Bi2Te3 et Mg2Si en particules plus petites, dont la taille varie de 40 à 400 nm, ce qui suggère une technique potentielle pour la production industrielle de nanoparticules. Comparé au broyage à billes à haute énergie, le broyage par ultrasons a deux caractéristiques uniques :

  1. 1. l'apparition d'un interstice granulométrique séparant les particules originales de celles produites par broyage par ultrasons ; et
  2. 2. des changements substantiels dans la morphologie de surface sont apparents après le fraisage par ultrasons, indiquant la possibilité de manipuler les surfaces 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 (dite manosonication) augmente considérablement les forces de cisaillement et les contraintes exercées sur les particules.
Une installation de sonication en ligne continue permet d'obtenir une charge de particules plus élevée (boue pâteuse), ce qui améliore les résultats de broyage puisque le broyage par ultrasons est basé sur la collision entre les particules.
La sonication dans une installation de recirculation discrète permet d'assurer un traitement homogène de toutes les particules et donc une distribution granulométrique très étroite.

L'un des principaux avantages du fraisage par ultrasons est que la technologie peut être facilement mise à l'échelle pour la production de grandes quantités - un fraisage industriel par ultrasons puissant et commercialement disponible peut traiter des quantités allant jusqu'à 10 m3/h.

Avantages du fraisage par ultrasons

  • Rapidité et gain de temps
  • économie d'énergie
  • des résultats reproductibles
  • Pas de support de broyage (pas de perles ou de perles)
  • Faible coût d'investissement

Ultrasons haute performance

Le fraisage par ultrasons nécessite un équipement ultrasonique de grande puissance. Afin de générer des forces de cisaillement cavitationnelles intenses, des amplitudes et des pressions élevées sont cruciales. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement utilisées en continu 24h/24 et 7j/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. En combinaison avec les réacteurs à écoulement pressurisables de Hielscher, une cavitation très intense est créée afin que les liaisons intermoléculaires puissent être surmontées et que des effets de fraisage efficaces soient obtenus.
La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des environnements difficiles et 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 une standardisation des processus.

Avantages des ultrasons haute performance Hielscher

  • amplitudes très élevées
  • pressions élevées
  • processus continu en ligne
  • équipement robuste
  • échelle linéaire à production
  • économique et facile à utiliser
  • Facile à nettoyer

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Hielscher Ultrasons fabrique des ultrasons de haute performance pour des applications sonochimiques.

Des processeurs à ultrasons de haute puissance, du laboratoire au pilote et à l'échelle industrielle.

Littérature / Références

  • Marquez-Garcia L., Li W., Bomphrey J.J., Jarvis D.J., Min G. (2015) : Préparation de nanoparticules de matériaux thermoélectriques par broyage par ultrasons. Journal of Electronic Materials 2015.


Qu'il faut savoir

Effet thermoélectrique

Les matériaux thermoélectriques se caractérisent par l'effet thermoélectrique sous une forme forte ou pratique, utilisable. L'effet thermoélectrique se réfère à des phénomènes par lesquels soit une différence de température crée un potentiel électrique, soit un potentiel électrique crée une différence de température. Ces phénomènes sont connus sous le nom d'effet Seebeck, qui décrit la conversion de la température en courant, l'effet Peltier, qui décrit la conversion du courant en température, et l'effet Thomson, qui décrit le chauffage et le refroidissement du conducteur. Tous les matériaux ont un effet thermoélectrique non nul, mais dans la plupart des matériaux, il est trop petit pour être utile. Cependant, les matériaux bon marché qui présentent un effet thermoélectrique suffisamment fort ainsi que d'autres propriétés requises pour les rendre applicables, peuvent être utilisés dans des applications telles que la production d'énergie et la réfrigération. Actuellement, le tellurure de bismuth (Bi2Te3) est largement utilisé pour son effet thermoélectrique