Ultradźwiękowe frezowanie termoelektrycznych nanoproszków

• Badania wykazały, że frezowanie ultradźwiękowe może być z powodzeniem stosowane do wytwarzania nanocząstek termoelektrycznych i ma potencjał do manipulowania powierzchniami cząstek.
• Cząstki mielone ultradźwiękowo (np. Bi₂Te₃-) wykazały znaczną redukcję rozmiaru i wytworzyły nanocząstki o wielkości mniejszej niż 10 µm.
• Ponadto, sonikacja powoduje znaczące zmiany w morfologii powierzchni cząstek i umożliwia tym samym funkcjonalizację powierzchni mikro- i nanocząstek.

Nanocząstki termoelektryczne

Materiały termoelektryczne przekształcają energię cieplną w energię elektryczną w oparciu o efekt Seebecka i Peltiera. W ten sposób możliwe staje się efektywne przekształcanie mało użytecznej lub prawie utraconej energii cieplnej w produktywne zastosowania. Ponieważ materiały termoelektryczne mogą być wykorzystywane w nowatorskich zastosowaniach, takich jak baterie biotermiczne, półprzewodnikowe chłodzenie termoelektryczne, urządzenia optoelektroniczne, przestrzeń kosmiczna i wytwarzanie energii w motoryzacji, badania i przemysł poszukują łatwych i szybkich technik wytwarzania przyjaznych dla środowiska, ekonomicznych i stabilnych w wysokich temperaturach nanocząstek termoelektrycznych. frezowanie ultradźwiękowe jak również syntezę oddolną (sonokrystalizacja) są obiecującymi drogami do szybkiej masowej produkcji nanomateriałów termoelektrycznych.

Sprzęt do frezowania ultradźwiękowego

Do redukcji wielkości cząstek tellurku bizmutu (Bi₂Te₃), krzemek magnezu (Mg₂Si) i proszek krzemowy (Si), system ultradźwiękowy o wysokiej intensywności UIP1000hdT (1 kW, 20 kHz) w otwartej zlewce. Dla wszystkich prób amplituda została ustawiona na 140µm. Naczynie z próbką jest chłodzone w łaźni wodnej, temperatura jest kontrolowana przez termoparę. Ze względu na sonikację w otwartym naczyniu zastosowano chłodzenie, aby zapobiec parowaniu roztworów mielących (np. etanolu, butanolu lub wody).

(a) Schemat układu eksperymentalnego. (b) Urządzenie do frezowania ultradźwiękowego. źródło: Marquez-Garcia et al. 2015.

Frezowanie ultradźwiękowe tylko przez 4 godziny Bi₂Te₃-stopu dała już znaczną ilość nanocząstek o rozmiarach od 150 do 400 nm. Oprócz redukcji rozmiaru do zakresu nano, sonikacja spowodowała również zmianę morfologii powierzchni. Obrazy SEM na rysunku poniżej b, c i d pokazują, że ostre krawędzie cząstek przed frezowaniem ultradźwiękowym stały się gładkie i okrągłe po frezowaniu ultradźwiękowym.

Rozkład wielkości cząstek i obrazy SEM stopu na bazie Bi2Te3 przed i po frezowaniu ultradźwiękowym. a – Rozkład wielkości cząstek; b – Obraz SEM przed frezowaniem ultradźwiękowym; c – Obraz SEM po frezowaniu ultradźwiękowym przez 4 h; d – Obraz SEM po frezowaniu ultradźwiękowym przez 8 godzin.źródło: Marquez-Garcia et al. 2015.

Aby ustalić, czy redukcja wielkości cząstek i modyfikacja powierzchni są wyjątkowo osiągane przez frezowanie ultradźwiękowe, podobne eksperymenty przeprowadzono przy użyciu wysokoenergetycznego młyna kulowego. Wyniki przedstawiono na rys. 3. Widać, że cząstki o wielkości 200-800 nm zostały wytworzone przez frezowanie kulowe przez 48 godzin (12 razy dłużej niż frezowanie ultradźwiękowe). SEM pokazuje, że ostre krawędzie cząstek Bi₂Te₃-Cząstki stopu pozostają zasadniczo niezmienione po frezowaniu. Wyniki te wskazują, że gładkie krawędzie są unikalnymi cechami frezowania ultradźwiękowego. Oszczędność czasu dzięki frezowaniu ultradźwiękowemu (4 h vs 48 h frezowanie kulowe) jest również niezwykła.

Rozkład wielkości cząstek i obrazy SEM Mg2Si przed i po mieleniu ultradźwiękowym. (a) Rozkład wielkości cząstek; (b) Obraz SEM przed mieleniem ultradźwiękowym; (c) Obraz SEM po mieleniu ultradźwiękowym w 50% PVP-50% EtOH przez 2 godziny.źródło: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) stwierdzają, że frezowanie ultradźwiękowe może degradować Bi₂Te₃ i Mg₂Proszek Si na mniejsze cząstki, których rozmiary wahają się od 40 do 400 nm, co sugeruje potencjalną technikę przemysłowej produkcji nanocząstek. W porównaniu z wysokoenergetycznym frezowaniem kulowym, frezowanie ultradźwiękowe ma dwie unikalne cechy:

1. 1. występowanie szczeliny o rozmiarze cząstek oddzielającej cząstki oryginalne od cząstek wytworzonych przez frezowanie ultradźwiękowe; oraz
2. 2. znaczne zmiany w morfologii powierzchni są widoczne po frezowaniu ultradźwiękowym, co wskazuje na możliwość manipulowania powierzchniami cząstek.

Wnioski

Ultradźwiękowe frezowanie twardszych cząstek wymaga sonikacji pod ciśnieniem w celu wytworzenia intensywnej kawitacji. Sonikacja pod podwyższonym ciśnieniem (tzw. manosonikacja) drastycznie zwiększa siły ścinające i naprężenia cząstek.
Ciągła konfiguracja sonikacji w linii pozwala na większe obciążenie cząstek (zawiesina podobna do pasty), co poprawia wyniki frezowania, ponieważ frezowanie ultradźwiękowe opiera się na zderzeniach międzycząsteczkowych.
Sonikacja w dyskretnym układzie recyrkulacji pozwala zapewnić jednorodną obróbkę wszystkich cząstek, a tym samym bardzo wąski rozkład wielkości cząstek.

Główną zaletą frezowania ultradźwiękowego jest to, że technologia ta może być łatwo skalowana do produkcji dużych ilości - dostępne na rynku, wydajne przemysłowe frezowanie ultradźwiękowe może obsługiwać ilości do 10m.³/h.

Zalety frezowania ultradźwiękowego

• Szybkość i oszczędność czasu
• Oszczędność energii
• powtarzalne wyniki
• Brak środków mielących (brak kulek lub pereł)
• Niski koszt inwestycji

Ultrasonografy o wysokiej wydajności

Frezowanie ultradźwiękowe wymaga sprzętu ultradźwiękowego o dużej mocy. Aby wygenerować intensywne kawitacyjne siły ścinające, kluczowe znaczenie mają wysokie amplitudy i ciśnienie. Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 μm mogą być z łatwością uruchamiane w sposób ciągły w trybie 24/7. Dla jeszcze większych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta. W połączeniu z ciśnieniowymi reaktorami przepływowymi firmy Hielscher powstaje bardzo intensywna kawitacja, dzięki czemu można przezwyciężyć wiązania międzycząsteczkowe i uzyskać wydajne efekty mielenia.
Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach. Cyfrowe i zdalne sterowanie oraz automatyczny zapis danych na wbudowanej karcie SD zapewniają precyzyjną obróbkę, powtarzalną jakość i pozwalają na standaryzację procesów.

Zalety wysokowydajnych ultradźwiękowców firmy Hielscher

• bardzo wysokie amplitudy
• wysokie ciśnienie
• Proces ciągły Inline
• wytrzymały sprzęt
• Skalowanie liniowe
• oszczędność i łatwość obsługi
• Łatwy do czyszczenia