熱電ナノ粉末の超音波ミリング

• 研究によると、超音波ミリングは熱電ナノ粒子の製造にうまく使用でき、粒子の表面を操作する可能性があります。
• 超音波で粉砕された粒子(例えば、Bi₂て₃-基合金)は大幅なサイズ縮小を示し、10μm未満のナノ粒子を作製しました。
• さらに、超音波処理は、粒子の表面形態の著しい変化を生じさせ、それによってマイクロ粒子およびナノ粒子の表面を機能化することを可能にする。

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。これにより、ほとんど使用できない、またはほとんど失われた熱エネルギーを生産的なアプリケーションに効果的に変えることが可能になります。熱電材料は、バイオサーマルバッテリー、固体熱電冷却、光電子デバイス、宇宙、自動車発電などの新しいアプリケーションに含めることができるため、研究と産業界は、環境に優しく、経済的で、高温安定性の熱電ナノ粒子を製造するための容易で迅速な技術を探しています。 超音波フライス加工 ボトムアップ合成(ソノクリスタライゼーション)は、熱電ナノ材料の迅速な大量生産への有望なルートです。

超音波フライス盤

テルル化ビスマス(Bi₂て₃)、マグネシウムシリサイド(Mg₂Si)とシリコン(Si)粉末、高強度超音波システム UIP1000hdTの (1kW、20kHz)はオープンビーカーのセットアップで使用されました。すべての試行で、振幅を140μmに設定しました。サンプル容器はウォーターバスで冷却され、温度は熱電対によって制御されます。開放容器内での超音波処理により、粉砕溶液(例えば、エタノール、ブタノール、または水)の蒸発を防ぐために冷却が使用された。

(a)実験装置の概略図。(b)超音波フライス盤装置。出典:Marquez-Garcia et al. 2015.

Biのわずか4時間の超音波ミリング₂て₃-合金は、150〜400nmのサイズのナノ粒子をすでに大量に生成しています。ナノ範囲へのサイズの縮小に加えて、超音波処理はまた、表面形態の変化をもたらした。下図b、c、dのSEM画像は、超音波ミリング前の粒子の鋭いエッジが超音波ミリング後に滑らかで丸くなっていることを示しています。

超音波フライス加工前後のBi2Te3基合金の粒子サイズ分布とSEM画像。ある – 粒子サイズ分布;b – 超音波ミリング前のSEM画像。c – 超音波ミリング後のSEM画像4時間;d – 超音波ミリングを8時間行った後のSEM像。出典:Marquez-Garcia et al. 2015.

粒子径の縮小と表面改質が超音波ミリングによって一意に達成されるかどうかを判断するために、高エネルギーボールミルを使用して同様の実験を行いました。その結果を図3に示します。200〜800nmの粒子が48時間(超音波ミリングの12倍)のボールミリングによって生成されたことは明らかです。SEMは、Biの鋭いエッジが₂て₃-合金粒子は、フライス加工後も基本的に変化しません。これらの結果は、滑らかなエッジが超音波フライス加工のユニークな特性であることを示しています。超音波フライス加工(4時間対48時間のボールフライス加工)による時間の節約も注目に値します。

超音波ミリング前後のMg2Siの粒子サイズ分布とSEM画像。(a)粒子サイズの分布。(b)超音波ミリング前のSEM画像。(c)50%PVP-50%EtOHで2時間超音波ミリングした後のSEM画像。出典:Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) は、超音波ミリングがBiを分解する可能性があると結論付けています₂て₃ とMg₂Si粉末を40〜400nmのサイズの小さな粒子にすることは、ナノ粒子の工業生産のための潜在的な技術を示唆しています。高エネルギーボールミルと比較して、超音波フライス加工には2つの独自の特性があります。

1. 1.超音波フライス加工によって生成される粒子から元の粒子を分離する粒子サイズのギャップの発生。そして
2. 2.超音波ミリング後に表面形態の大幅な変化が明らかであり、粒子の表面を操作する可能性を示しています。

結論

より硬い粒子の超音波ミリングは、強いキャビテーションを生成するために圧力下での超音波処理を必要とする。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劇的に増加させます。
連続インライン超音波処理セットアップは、超音波ミリングが粒子間衝突に基づいているので、ミリング結果を改善するより高い粒子負荷(ペースト状スラリー)を可能にする。
離散再循環セットアップでの超音波処理は、すべての粒子の均質な処理、したがって非常に狭い粒度分布を確実にすることを可能にする。

超音波ミリングの主な利点は、この技術が大量生産のために容易にスケールアップできることであり、市販の強力な工業用超音波ミリングは最大10mの量を処理できます³/h です。

超音波フライス加工の利点

• 迅速で時間の節約
• 省エネ
• 再現性のある結果
• フライスメディアなし(ビーズや真珠なし)
• 低い投資コスト

高性能超音波装置

超音波ミリングには、高出力の超音波装置が必要です。強いキャビテーションせん断力を発生させるためには、高い振幅と圧力が重要です。ヒールシャー超音波’ 産業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供できます。最大200μmの振幅は、24/7操作で簡単に連続運転できます。さらに高い振幅のために、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。ヒールシャーの加圧式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が作成され、分子間結合を克服し、効率的なミリング効果が達成されます。
ヒールシャーの超音波装置の堅牢性は、ヘビーデューティと要求の厳しい環境での24 / 7操作を可能にします。デジタルおよびリモートコントロール、および内蔵SDカードへの自動データ記録により、正確な処理と再現性のある品質が保証され、プロセスの標準化が可能になります。

ヒールシャー高性能超音波装置の利点

• 非常に高い振幅
• 高圧
• 連続インラインプロセス
• 堅牢な機器
• リニアスケールアップ
• 保存して操作が簡単
• お手入れが簡単