Hielscher Echografietechniek

Ultrasoon frezen van thermo-elektrische nanopoeders

  • Onderzoek heeft aangetoond dat ultrasoon frezen met succes kan worden gebruikt voor de fabricage van thermo-elektrische nanodeeltjes en het potentieel heeft om de oppervlakken van de deeltjes te manipuleren.
  • Ultrasoon gefreesde deeltjes (bijv. Bi2De3-gebaseerde legering) vertoonde een aanzienlijke verkleining en vervaardigde nano-deeltjes met minder dan 10µm.
  • Bovendien zorgt sonificatie voor significante veranderingen in de oppervlaktemorfologie van de deeltjes en maakt het daardoor mogelijk om het oppervlak van micro- en nano-deeltjes te functionaliseren.

 

Thermo-elektrische nanodeeltjes

Thermo-elektrische materialen zetten warmte-energie om in elektrische energie op basis van Seebeck en Peltier effect. Hierdoor wordt het mogelijk om nauwelijks of bijna verloren warmte-energie effectief om te zetten in productieve toepassingen. Aangezien thermo-elektrische materialen kunnen worden opgenomen in nieuwe toepassingen zoals biothermische accu's, vaste stof- en vloeistofkoeling, opto-elektronische apparaten, ruimte- en automobielelektronica, zoeken onderzoek en industrie naar eenvoudige en snelle technieken om milieuvriendelijke, economische en temperatuurstabiele thermo-elektrische nanodeeltjes te produceren. Ultrasoon frezen evenals bottom-up synthese (Sono-kristallisatie) zijn veelbelovende wegen naar de snelle massaproductie van thermo-elektrische nanomaterialen.

Ultrasone freesapparatuur

Voor de verkleining van de deeltjesgrootte van bismutentelluride (Bi2De3), magnesiumsilicide (Mg2Si) en silicium (Si) poeder, het ultrasoon systeem met hoge intensiteit UIP1000hdT (1kW, 20kHz) werd gebruikt in een open bekeropstelling. Voor alle proeven werd de amplitude ingesteld op 140µm. Het bemonsteringsvat wordt gekoeld in een waterbad, de temperatuur wordt geregeld door een thermo-element. Door de sonische behandeling in een open vat werd koeling gebruikt om verdamping van de maaloplossingen (bv. ethanol, butanol of water) te voorkomen.

Ultrasoon frezen wordt met succes gebruikt om thermo-elektrische materialen te reduceren tot nanodeeltjes.

a) Schematisch schema van de experimentele opzet. b) Ultrasoon freesapparaat. bron: Marquez-Garcia et al. 2015.

UIP2000hdT - een 2000W high performance ultrasoonapparaat voor het industrieel frezen van nanodeeltjes.

UIP2000hdT met drukverhogende stroomcelreactor

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Ultrasoon frezen voor slechts 4u van Bi2De3-legering reeds in een aanzienlijke hoeveelheid nanodeeltjes met een grootte tussen 150 en 400 nm. Naast de verkleining tot het nanobereik heeft de sonificatie ook geleid tot een verandering in de oppervlaktemorfologie. De SEM-beelden in de onderstaande figuur laten zien dat de scherpe randen van de deeltjes voor het ultrasoon frezen glad en rond zijn geworden na het ultrasoon frezen.

Ultrasoon frezen van Bi2Te3-gebaseerde nanodeeltjes van legeringen.

Deeltjesgrootteverdeling en SEM-afbeeldingen van Bi2Te3-gebaseerde legering voor en na het ultrasoon frezen. a – Verdeling in deeltjesgrootte; b – SEM-beeld voor ultrasoon frezen; c – SEM-beeld na ultrasoon frezen gedurende 4 uur; d – SEM beeld na ultrasoon frezen gedurende 8 uur.
bron: Marquez-Garcia et al. 2015.

Om te bepalen of deeltjesgrootteverkleining en oppervlaktemodificatie op unieke wijze worden bereikt door ultrasoon frezen, zijn soortgelijke experimenten uitgevoerd met behulp van een hoogenergetische kogelmolen. De resultaten zijn weergegeven in Fig. 3. Het is duidelijk dat 200-800 nm deeltjes werden geproduceerd door kogelfrezen gedurende 48 uur (12 keer langer dan ultrasoon frezen). SEM toont aan dat de scherpe randen van de Bi2De3-de legeringsdeeltjes blijven in wezen onveranderd na het malen. Deze resultaten geven aan dat de gladde randen unieke kenmerken zijn van ultrasoon frezen. De tijdwinst door ultrasoon frezen (4 uur vs. 48 uur kogelfrezen) is ook opmerkelijk.

Ultrasoon frezen van Mg2Si.

Deeltjesgrootteverdeling en SEM-beelden van Mg2Si voor en na het ultrasoon frezen. (a) deeltjesgrootteverdeling; (b) SEM-beeld voor het ultrasoon frezen; (c) SEM-beeld na het ultrasoon frezen in 50% PVP-50% EtOH gedurende 2 uur.
bron: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluderen dat ultrasoon malen Bi2De3 en Mg2Si poeder in kleinere deeltjes, waarvan de grootte varieert van 40 tot 400 nm, wat een mogelijke techniek voor de industriële productie van nanodeeltjes suggereert. Vergeleken met hoogenergetisch kogelfrezen heeft ultrasoon frezen twee unieke eigenschappen:

  1. 1. het ontstaan van een spleet ter grootte van een korrelgrootte die de oorspronkelijke deeltjes scheidt van de deeltjes die door ultrasoon frezen worden geproduceerd; en
  2. 2. aanzienlijke veranderingen in de oppervlaktemorfologie zijn zichtbaar na het ultrasoon frezen, wat wijst op de mogelijkheid om de oppervlakken van de deeltjes te manipuleren.

Conclusie

Het ultrasoon frezen van hardere deeltjes vereist een sonische behandeling onder druk om intense cavitatie te genereren. Sonificatie onder verhoogde druk (zogenaamde manosonisatie) verhoogt de schuifkrachten en spanningen op de deeltjes drastisch.
Een continue inline sonication setup zorgt voor een hogere deeltjesbelasting (pasta-achtige drijfmest), wat de freesresultaten verbetert aangezien ultrasoon frezen gebaseerd is op interdepartikelbotsing.
Door de geluidskwaliteit in een discrete recirculatieopstelling kan een homogene behandeling van alle deeltjes en dus een zeer kleine deeltjesgrootteverdeling worden gegarandeerd.

Een groot voordeel van ultrasoon frezen is dat de technologie gemakkelijk kan worden opgeschaald voor de productie van grote hoeveelheden - commercieel beschikbaar, krachtig industrieel ultrasoon frezen kan hoeveelheden tot 10m verwerken.3/h.

Voordelen van ultrasoon frezen

  • Snel en tijdbesparend
  • energiebesparend
  • reproduceerbare resultaten
  • Geen freesmiddelen (geen kralen of parels)
  • Lage investeringskosten

Hoogwaardige ultrasoonapparatuur met hoge prestaties

Ultrasoon frezen vereist ultrasone apparatuur met een hoog vermogen. Om intense cavitatie afschuifkrachten te genereren, zijn hoge amplitudes en druk van cruciaal belang. Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden gebruikt in 24/7 werking. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. In combinatie met Hielscher's drukreactoren wordt een zeer intensieve cavitatie gecreëerd, zodat intermoleculaire verbindingen kunnen worden overwonnen en efficiënte freeseffecten worden bereikt.
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24 uur per dag, 7 dagen per week, 24 uur per dag, 7 dagen per week en in veeleisende omgevingen mogelijk. Digitale en afstandbediening en automatische gegevensregistratie op een ingebouwde SD-kaart zorgen voor een nauwkeurige verwerking, reproduceerbare kwaliteit en processtandaardisatie.

Voordelen van Hielscher High Performance Ultrasoonapparatuur met hoge prestaties

  • zeer hoge amplitudes
  • hoge drukken
  • continu inline proces
  • robuuste apparatuur
  • lineaire opschaling
  • veilig en eenvoudig te bedienen
  • Gemakkelijk schoon te maken

Neem contact met ons op! / Vraag ons!

Vraag voor meer informatie

Gebruik het onderstaande formulier als u aanvullende informatie wilt over ultrasone homogenisatie. We zullen u graag een ultrasoon systeem aanbieden dat aan uw eisen voldoet.









Let op onze Privacybeleid.


Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasoonapparatuur voor sonochemische toepassingen.

Krachtige ultrasone processoren van laboratorium tot piloot en industriële schaal.

Literatuur / Referenties

  • Marquez-Garcia L., Li W., Bomphrey J.J., Jarvis D.J., Min G. (2015): Voorbereiding van nanodeeltjes van thermo-elektrische materialen door ultrasoon frezen. Journal of Electronic Materials 2015.


Feiten die de moeite waard zijn om te weten

Thermo-elektrisch effect

Thermo-elektrische materialen worden gekenmerkt door het tonen van het thermo-elektrische effect in een sterke of handige, bruikbare vorm. Het thermo-elektrisch effect verwijst naar verschijnselen waarbij ofwel een temperatuurverschil een elektrische potentiaal creëert of een elektrische potentiaal een temperatuurverschil creëert. Deze verschijnselen staan bekend als het Seebeck-effect, dat de omzetting van temperatuur naar stroom beschrijft, het Peltier-effect, dat de omzetting van stroom naar temperatuur beschrijft, en het Thomson-effect, dat de geleiderverwarming/-koeling beschrijft. Alle materialen hebben een niet-nul-thermo-elektrisch effect, maar in de meeste materialen is het te klein om nuttig te zijn. Goedkope materialen met een voldoende sterk thermo-elektrisch effect en andere vereiste eigenschappen om ze toepasbaar te maken, kunnen echter worden gebruikt in toepassingen zoals energieopwekking en koeling. Momenteel is bismutentelluride (Bi2De3) wordt wijd gebruikt voor zijn thermo-elektrisch effect