Macinazione a ultrasuoni di nano-polveri termoelettriche

• La ricerca ha dimostrato che la fresatura a ultrasuoni può essere utilizzata con successo per la fabbricazione di nanoparticelle termoelettriche e ha il potenziale per manipolare le superfici delle particelle.
• Particelle macinate ad ultrasuoni (ad es. Bi₂Te₃-a base di leghe) ha mostrato una significativa riduzione delle dimensioni e ha prodotto nano-particelle con dimensioni inferiori a 10 µm.
• Inoltre, la sonicazione produce cambiamenti significativi della morfologia superficiale delle particelle e consente di funzionalizzare la superficie di micro e nano particelle.

nanoparticelle termoelettriche

I materiali termoelettrici convertono l'energia termica in energia elettrica grazie all'effetto Seebeck e Peltier. In questo modo è possibile trasformare efficacemente l'energia termica difficilmente utilizzabile o quasi persa in applicazioni produttive. Poiché i materiali termoelettrici possono essere utilizzati in nuove applicazioni come le batterie biotermiche, il raffreddamento termoelettrico a stato solido, i dispositivi optoelettronici, lo spazio e la generazione di energia automobilistica, la ricerca e l'industria sono alla ricerca di tecniche facili e rapide per produrre nanoparticelle termoelettriche rispettose dell'ambiente, economiche e stabili alle alte temperature. fresatura a ultrasuoni così come la sintesi dal basso verso l'alto (sono-cristallizzazione) sono le vie promettenti per una rapida produzione di massa di nanomateriali termoelettrici.

Apparecchiature di fresatura a ultrasuoni

Per la riduzione delle dimensioni delle particelle di tellururo di bismuto (Bi₂Te₃), siliciuro di magnesio (Mg₂Si) e polvere di silicio (Si), il sistema ad ultrasuoni ad alta intensità UIP1000hdT (1kW, 20kHz) in un becher aperto. Per tutte le prove l'ampiezza è stata impostata a 140µm. Il recipiente del campione è raffreddato in un bagno d'acqua, la cui temperatura è controllata da una termocoppia. A causa della sonicazione in un recipiente aperto, il raffreddamento è stato utilizzato per evitare l'evaporazione delle soluzioni di macinazione (ad esempio, etanolo, butanolo o acqua).

(a) Schema del setup sperimentale. (b) Apparecchiatura di fresatura a ultrasuoni. fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Fresatura a ultrasuoni per sole 4 ore di Bi₂Te₃-La lega ha già prodotto una quantità sostanziale di nanoparticelle con dimensioni comprese tra 150 e 400 nm. Oltre alla riduzione delle dimensioni all'intervallo nanometrico, la sonicazione ha portato anche a un cambiamento della morfologia superficiale. Le immagini SEM nelle figure b, c e d mostrano che i bordi taglienti delle particelle prima della fresatura a ultrasuoni sono diventati lisci e rotondi dopo la fresatura a ultrasuoni.

Distribuzione granulometrica e immagini SEM della lega a base di Bi2Te3 prima e dopo la macinazione a ultrasuoni. a – Distribuzione granulometrica; b – Immagine SEM prima della fresatura ad ultrasuoni; c – Immagine SEM dopo la macinazione ad ultrasuoni per 4 ore; d – Immagine SEM dopo la macinazione a ultrasuoni per 8 ore.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Per determinare se la riduzione delle dimensioni delle particelle e la modifica della superficie sono ottenute in modo unico dalla macinazione a ultrasuoni, sono stati condotti esperimenti simili utilizzando un mulino a sfere ad alta energia. I risultati sono riportati nella Fig. 3. È evidente che le particelle di 200-800 nm sono state prodotte dalla macinazione a sfere per 48 ore (12 volte più a lungo della macinazione a ultrasuoni). Il SEM mostra che i bordi taglienti delle particelle di Bi₂Te₃-Le particelle di lega rimangono sostanzialmente invariate dopo la fresatura. Questi risultati indicano che i bordi lisci sono caratteristiche uniche della macinazione a ultrasuoni. Anche il risparmio di tempo ottenuto con la macinazione a ultrasuoni (4 ore contro 48 ore di macinazione a sfere) è notevole.

Distribuzione granulometrica e immagini SEM di Mg2Si prima e dopo la macinazione a ultrasuoni. (a) Distribuzione granulometrica; (b) immagine SEM prima della macinazione a ultrasuoni; (c) immagine SEM dopo la macinazione a ultrasuoni in 50% PVP-50% EtOH per 2 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concludono che la fresatura a ultrasuoni può degradare il Bi₂Te₃ e Mg₂Si in particelle più piccole, le cui dimensioni variano da 40 a 400 nm, suggerendo una tecnica potenziale per la produzione industriale di nanoparticelle. Rispetto alla macinazione a sfere ad alta energia, la macinazione a ultrasuoni presenta due caratteristiche uniche:

1. 1. la presenza di un gap granulometrico che separa le particelle originali da quelle prodotte dalla macinazione a ultrasuoni; e
2. 2. dopo la fresatura a ultrasuoni si notano cambiamenti sostanziali nella morfologia superficiale, il che indica la possibilità di manipolare le superfici delle particelle.

Conclusione

La fresatura a ultrasuoni di particelle più dure richiede la sonicazione sotto pressione per generare un'intensa cavitazione. La sonicazione a pressione elevata (la cosiddetta manosonicazione) aumenta drasticamente le forze di taglio e le sollecitazioni sulle particelle.
Una configurazione di sonicazione in linea continua consente un carico di particelle più elevato (impasto simile a una pasta), che migliora i risultati della macinazione, poiché la macinazione a ultrasuoni si basa sulla collisione tra le particelle.
La sonicazione in una configurazione a ricircolo discreto consente di garantire un trattamento omogeneo di tutte le particelle e quindi una distribuzione granulometrica molto ristretta.

Uno dei principali vantaggi della fresatura a ultrasuoni è che la tecnologia può essere facilmente scalata per la produzione di grandi quantità: la potente fresatura industriale a ultrasuoni disponibile in commercio può gestire quantità fino a 10m³/h.

Vantaggi della fresatura a ultrasuoni

• Rapidità e risparmio di tempo
• Risparmio energetico
• risultati riproducibili
• Nessun mezzo di macinazione (niente perle o perline)
• Basso costo di investimento

Ultrasuonatori ad alte prestazioni

La fresatura a ultrasuoni richiede apparecchiature a ultrasuoni di elevata potenza. Per generare intense forze di taglio cavitazionali, sono fondamentali ampiezze e pressioni elevate. Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. In combinazione con i reattori a flusso pressurizzato di Hielscher, si crea una cavitazione molto intensa che consente di superare i legami intermolecolari e di ottenere efficienti effetti di macinazione.
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. Il controllo digitale e remoto, nonché la registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata, assicurano una lavorazione precisa, una qualità riproducibile e consentono la standardizzazione del processo.

Vantaggi degli Ultrasuonatori Hielscher ad alte prestazioni

• ampiezze molto elevate
• alte pressioni
• processo continuo in linea
• attrezzatura robusta
• Scalabilità lineare
• risparmiare e facile da usare
• Facile da pulire