熱電ナノ粉末の超音波ミリング

• 研究により、超音波ミリングは熱電ナノ粒子の製造にうまく利用でき、粒子表面を操作できる可能性があることが示されている。
• 超音波粉砕粒子（例えばBi₂テ₃-ベース合金)は著しいサイズ縮小を示し、10µm以下のナノ粒子を作製した。
• さらに、超音波処理によって粒子の表面形態が大きく変化するため、マイクロ粒子やナノ粒子の表面を機能化することができる。

熱電ナノ粒子

熱電材料は、ゼーベック効果とペルチェ効果に基づいて熱エネルギーを電気エネルギーに変換します。それによって、ほとんど使用できない、あるいはほとんど失われた熱エネルギーを、生産的な用途に効果的に転換することが可能になります。熱電材料は、生体熱電池、固体熱電冷却、光電子デバイス、宇宙、自動車発電のような新しいアプリケーションに含まれる可能性があるため、研究および産業界は、環境に優しく、経済的で、高温安定な熱電ナノ粒子を製造するための容易で迅速な技術を模索しています。 超音波ミリング ボトムアップ合成 (超音波結晶化)は、熱電ナノ材料の高速大量生産への有望なルートである。

超音波フライス装置

テルル化ビスマス(Bi₂テ₃)、ケイ化マグネシウム(Mg₂Si)とシリコン(Si)粉末を用いた高強度超音波システム UIP1000hdT (1kW、20kHz）をオープンビーカーで使用した。すべての試験で振幅は140μmに設定した。試料容器はウォーターバスで冷却し、温度は熱電対で制御した。開放容器で超音波処理を行うため、粉砕溶液（エタノール、ブタノール、水など）の蒸発を防ぐために冷却を行った。

(a）実験装置の概略図。(b）超音波ミリング装置：Marquez-Garciaら、2015年。

わずか4時間の超音波ミリング₂テ₃-合金は、すでに150～400 nmのナノ粒子を相当量生成していた。ナノ領域へのサイズ縮小のほかに、超音波処理によって表面形態も変化した。下図b、c、dのSEM画像は、超音波粉砕前の粒子の鋭いエッジが、超音波粉砕後には滑らかで丸い形状になっていることを示している。

超音波ミリング前後のBi2Te3基合金の粒度分布とSEM像。 – 粒度分布；b – 超音波ミリング前のSEM画像。 – 超音波ミリング4時間後のSEM像；d – 超音波ミリング8時間後のSEM像。
ソースマルケス＝ガルシアら2015年。

粒子径の縮小と表面改質が超音波ミリングによって独自に達成されるかどうかを調べるため、高エネルギー・ボールミルを用いて同様の実験を行った。結果を図3に示す。ボールミルによる48時間の粉砕（超音波粉砕の12倍）で、200-800 nmの粒子が生成されたことがわかる。SEMで見ると、Bi₂テ₃-合金粒子は粉砕後も本質的に変化しない。これらの結果は、滑らかなエッジが超音波ミリングのユニークな特徴であることを示している。超音波ミリングによる時間短縮（ボールミリング48時間に対して4時間）も顕著である。

超音波粉砕前後のMg2Siの粒度分布とSEM像。(a) 粒度分布; (b) 超音波粉砕前のSEM像; (c) 50%PVP-50%EtOH中で2時間超音波粉砕後のSEM像。
ソースマルケス＝ガルシアら2015年。

Marquez-Garciaら(2015)は、超音波ミリングはBiを劣化させると結論づけている。₂テ₃ およびMg₂Si粉末の粒径は40～400 nmであり、ナノ粒子の工業的製造の可能性を示唆している。高エネルギーボール粉砕と比較して、超音波粉砕には2つのユニークな特徴がある：

1. 1.元の粒子と超音波ミリングによって生成された粒子を分離する粒径ギャップの発生；および
2. 2. 超音波ミリング後に表面形態が大きく変化し、粒子表面を操作できる可能性が明らかになった。

結論

より硬い粒子の超音波ミリングには、強力なキャビテーションを発生させるために加圧下での超音波処理が必要です。高圧下での超音波処理（いわゆるマノソニケーション）は、粒子へのせん断力と応力を急激に増加させます。
連続的なインライン超音波処理セットアップにより、より高い粒子負荷（ペースト状のスラリー）が可能になり、超音波ミリングは粒子間衝突に基づくため、ミリング結果が向上する。
離散的な再循環セットアップでの超音波処理により、すべての粒子を均質に処理できるため、粒度分布が非常に狭くなる。

超音波ミリングの主な利点は、大量生産用に技術を容易にスケールアップできることである。³/h.

超音波ミリングの利点

• 迅速、時間節約
• 省エネルギー
• 再現性のある結果
• 粉砕媒体なし（ビーズやパールなし）
• 低い投資コスト

高性能超音波発生装置

超音波ミリングには高出力の超音波装置が必要です。強力なキャビテーションせん断力を発生させるには、高い振幅と圧力が不可欠です。Hielscher Ultrasonics’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続稼働が容易です。さらに高い振幅を得るためには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。Hielscherの加圧可能なフローリアクターと組み合わせることで、非常に強力なキャビテーションを発生させ、分子間結合を克服し、効率的なミリング効果を得ることができます。
Hielscher社の超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の稼動が可能です。デジタル制御、遠隔制御、内蔵SDカードへの自動データ記録により、正確な処理、再現可能な品質を保証し、プロセスの標準化を可能にします。

Hielscher社製高性能超音波発生装置の利点

• 超高振幅
• 高圧
• 連続インラインプロセス
• 堅牢な設備
• リニア・スケールアップ
• 保存と操作が簡単
• 掃除が簡単