Ultrazvučni glodanje termoelektričnih nano-praha

• Istraživanja su pokazala da ultrazvučno glodanje može se uspješno koristiti za izradu termoelektričnih nanočestica i ima potencijal za manipulaciju površinama čestica.
• Ultrazvučno mljevene čestice (npr.₂Te₃koja se temelji na legure) pokazala su značajno smanjenje veličine i proizvedene nano-čestice s manje od 10 μm.
• Nadalje, sonication stvara značajne promjene površinske morfologije čestica i omogućiti tako da funkcionalizirati površinu mikro i nano-čestica.

Termoelektrični nanočestice

Termoelektrični materijali pretvoriti toplinsku energiju u električnu energiju na temelju Seebeck i Peltier efekt. Na taj način postaje moguće teško koristiti ili gotovo izgubiti termalnu energiju učinkovito u produktivnim aplikacijama. Budući da se Termoelektrični materijali mogu uključiti u nove aplikacije kao što su biotermalne baterije, solidno termoelektrično hlađenje, Optoelektronski uređaji, prostor i proizvodnja električne energije u automobilskoj industriji, istraživanje i industrija traže facile i brze tehnike za proizvodnju ekološke, ekonomične i visoke temperature-stabilne Termoelektrične nanočestice. Ultrazvučno glodanje kao i sinteza odozdo prema gore (Sono-Kristalizacija) su obećavajuće rute za brzu masovnu proizvodnju termoelektričnih nanomaterijala.

Ultrazvučno glodanje oprema

Za smanjenje veličine čestica Bizmut Tellurideu (bi₂Te₃), magnezijev silicid (mg₂Si) i silicijev (si) prah, visokog intenziteta ultrazvučnog sustava UIP1000hdT (1kW, 20kHz) korišten je u otvorenoj namještnoj čaši. Za sve kušnje amplituda je postavljena na 140 μm. Uzorak plovila se hladi u vodenoj kupelji, temperatura kontrolira termo-par. Zbog sonication na otvorenom plovilu, hlađenje se koristi za sprječavanje isparavanja otopine za glodanje (npr. etanol, butanol ili voda).

(a) shematski dijagram eksperimentalnog postavljanja. (b) ultrazvučni aparat za glodanje. Izvor: Marquez-Garcia et Al. 2015.

Ultrazvučno glodanje za samo 4H od bi₂Te₃-legura je već dala znatnu količinu nanočestica s veličinom između 150 i 400 nm. Osim veličine smanjenje nano raspona, ultrazvukom također rezultiralo promjenom površinske morfologije. SEM slike na slici ispod b, c, i d prikaz da su oštri rubovi čestica prije ultrazvučnog glodanja su postali glatka i okrugla nakon ultrazvučnog glodanja.

Distribucija veličine čestica i SEM slike Bi2Te3-based legure prije i nakon ultrazvučnog glodanja. A – Distribucija veličine čestica; B – SEM slika prije ultrazvučnog glodanja; C – SEM slika nakon ultrazvučnog glodanje za 4 h; D – SEM slika nakon ultrazvučnog glodanje za 8 h.
Izvor: Marquez-Garcia et Al. 2015.

Kako bi se utvrdilo jesu li smanjenje veličine čestica i modifikacija površine jedinstveno postižu ultrazvučnim glodanjem, slični eksperimenti su provedeni pomoću velike energije lopte mlin. Rezultati su prikazani na slici 3. Očito je da 200 – 800 nm čestice su proizvedene loptom glodanje za 48 h (12 puta duže od ultrazvučnog glodanje). SEM pokazuje da su oštri rubovi₂Te₃-legure čestice ostaju nepromijenjene nakon glodanja. Ovi rezultati ukazuju na to da su glatke Rubovi su jedinstvene karakteristike ultrazvučnog glodanja. Vrijeme-ušteda ultrazvučno glodanje (4 h vs 48 h lopta glodanje) su izvanredni, previše.

Distribucija veličine čestica i SEM slike od Mg2Si prije i poslije ultrazvučnog glodanja. (a) distribucija veličine čestica; (b) SEM slike prije ultrazvučnog glodanja; (c) SEM slika nakon ultrazvučnog mljevenja u 50% PVP – 50% EtOH za 2 h.
Izvor: Marquez-Garcia et Al. 2015.

Marquez-Garcia et Al. (2015) zaključiti da ultrazvučno glodanje može degradiranje bi₂Te₃ i mg₂Si prah u manje čestice, veličine koje se kreću od 40 do 400 nm, što sugerira potencijalnu tehniku za industrijsku proizvodnju nanočestica. U usporedbi s visokom energijom kuglica glodanje, ultrazvučno glodanje ima dvije jedinstvene karakteristike:

1. 1. pojava jaz veličine čestica odvaja izvorne čestice od onih proizvedenih ultrazvučnim glodanjem; I
2. 2. značajne promjene u površinskom morfologiji su vidljive nakon ultrazvučnog glodanja, što ukazuje na mogućnost manipuliranja površinama čestica.

Zaključak

Ultrazvučno glodanje teže čestice zahtijeva ultrazvukom pod tlakom za generiranje intenzivne kavitacije. Sonication pod povećanim tlakom (takozvani manosonication) povećava sile smicanja i stres na čestice drastično.
Kontinuirani inline podešavanje ultrazvuka omogućuje veću opterećenje čestica (paste-poput gnoja), što poboljšava rezultate glodanja jer ultrazvučno glodanje temelji se na sukob između čestica.
Ultrazvukom u diskretnoj postavljanju recirkulacije omogućuje da se osigura homogena obrada svih čestica i stoga vrlo uska distribucija veličine čestica.

Velika prednost ultrazvučnog glodanja je da se tehnologija može lako skalirati za proizvodnju velikih količina-komercijalno dostupan, moćan industrijski ultrazvučni glodanje može rukovati količinama do 10m³/h.

Prednosti ultrazvučnog glodanje

• Brzo, ušteda vremena
• Ušteda energije
• ponovljivih rezultata
• Bez glodanja (bez kuglica ili bisera)
• Niski troškovi ulaganja

Visoke performanse ultrasonicators

Ultrazvučno glodanje zahtijeva visoku snagu ultrazvučnu opremu. Kako bi se generirali intenzivne cavitational sile smicanja, visoke amplitude i pritisak su ključni. Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm mogu se lako kontinuirano izvoditi u 24/7 operaciji. Za još više amplitude, prilagođene ultrazvučnih sonotrode su dostupni. U kombinaciji s Hielscher je tlačni protok reaktora, vrlo intenzivna Kavitacija je stvorena tako da se međumolekularne spojna može prevladati i učinkovit glodanje efekti se postižu.
Robusnost Hielscher je ultrazvučna oprema omogućuje za 24/7 rad u teškoj dužnosti i u zahtjevnim okruženjima. Digitalni i daljinski upravljač kao i automatsko bilježenje podataka na ugrađenu SD karticu osiguravaju točnu preradu, ponovnu kvalitetu i omogućuju standardizaciju procesa.

Prednosti Hielscher visoke performanse ultrasonicators

• vrlo visoke amplitude
• Visoki pritisci
• kontinuirani inline proces
• robustan oprema
• Linearno mjerilo gore
• spremanje i jednostavan rad
• Lako se čisti