Technologia ultradźwiękowa firmy Hielscher

Frezowanie ultradźwiękowe nanoproszków termoelektrycznych

  • Badania wykazały, że frezowanie ultradźwiękowe może być z powodzeniem wykorzystywane do wytwarzania nanocząsteczek termoelektrycznych i ma potencjał do manipulowania powierzchniami cząstek.
  • Cząsteczki zmielone ultradźwiękowo (np. Bi2Te3-) wykazały znaczną redukcję rozmiaru i wytworzone nanocząsteczki o grubości mniejszej niż 10 µm.
  • Ponadto sonizacja powoduje znaczne zmiany morfologii powierzchni cząstek i umożliwia tym samym funkcjonowanie powierzchni mikro- i nanocząsteczek.

 

Nanocząsteczki termoelektryczne

Materiały termoelektryczne przekształcają energię cieplną w energię elektryczną w oparciu o efekt Seebecka i Peltiera. W ten sposób możliwe staje się efektywne przekształcenie mało użytecznej lub prawie utraconej energii cieplnej w produktywne zastosowania. Ponieważ materiały termoelektryczne mogą być włączone do nowych zastosowań, takich jak baterie biotermiczne, półprzewodnikowe chłodzenie termoelektryczne, urządzenia optoelektroniczne, produkcja energii elektrycznej w przestrzeni kosmicznej i samochodowej, badania i przemysł poszukuje łatwych i szybkich technik produkcji przyjaznych dla środowiska, ekonomicznych i stabilnych termicznie nanocząsteczek. Frezowanie ultradźwiękowe jak również synteza bottom-up (Sono-Krystalizacja) są obiecujące drogi do szybkiej masowej produkcji nanomateriałów termoelektrycznych.

Sprzęt do frezowania ultradźwiękowego

W przypadku redukcji wielkości cząstek tellurku bizmutu (Bi2Te3), krzemku magnezu (Mg2Si) i proszek krzemowy (Si), system ultradźwiękowy o wysokiej intensywności UIP1000hdT (1kW, 20kHz) został użyty w konfiguracji otwartej zlewki. Dla wszystkich prób amplituda była ustawiona na 140 µm. Naczynie na próbki jest chłodzone w łaźni wodnej, temperatura jest kontrolowana przez termo-parę. Ze względu na sonikację w otwartym zbiorniku, chłodzenie było stosowane w celu zapobieżenia odparowaniu roztworów mielenia (np. etanolu, butanolu lub wody).

Frezowanie ultradźwiękowe jest z powodzeniem stosowane do redukcji materiałów termoelektrycznych do nanocząsteczek.

a) Schematyczny schemat konfiguracji eksperymentalnej. b) urządzenie do mielenia ultradźwiękowego. źródło: Marquez-Garcia et al. 2015.

UIP2000hdT - wysokowydajny ultrasonikator o mocy 2000W do przemysłowego mielenia nano-cząsteczek.

UIP2000hdT z reaktorem z ciśnieniową komorą przepływową

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Frezowanie ultradźwiękowe tylko dla 4h Bi2Te3-już uzyskany w znacznej ilości nanocząsteczek o rozmiarach od 150 do 400 nm. Oprócz zmniejszenia rozmiaru do zakresu nano, sonizacja 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.

Frezowanie ultradźwiękowe nanocząsteczek stopu Bi2Te3.

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.

W celu ustalenia, czy redukcja wielkości cząstek i modyfikacja powierzchni cząstek są jednoznacznie osiągane poprzez mielenie ultradźwiękowe, podobne eksperymenty przeprowadzono przy użyciu wysokoenergetycznego młyna kulowego. Wyniki pokazano na rys. 3. Wyraźnie widać, że cząsteczki o długości fali 200-800 nm były wytwarzane w procesie frezowania kulowego przez 48 h (12 razy dłużej niż w przypadku frezowania ultradźwiękowego). SEM pokazuje, że ostre krawędzie Bi2Te3-cząsteczki stopu pozostają zasadniczo niezmienione po zmieleniu. 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.

Frezowanie ultradźwiękowe Mg2Si.

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

Marquez-Garcia et al. (2015) stwierdzają, że mielenie ultradźwiękowe może spowodować degradację Bi2Te3 i Mg2Proszek Si w postaci mniejszych cząstek, których rozmiary wahają się od 40 do 400 nm, co sugeruje potencjalną technikę przemysłowej produkcji nanocząsteczek. W porównaniu z wysokoenergetycznym frezowaniem kulowym, frezowanie ultradźwiękowe ma dwie wyjątkowe cechy:

  1. 1) wystąpienie szczeliny wielkości cząstek oddzielającej cząstki pierwotne od cząstek wytwarzanych w procesie mielenia ultradźwiękowego; oraz
  2. 2. po zmieleniu ultradźwiękowym widoczne są istotne zmiany w morfologii powierzchni, wskazujące na możliwość manipulowania powierzchniami cząstek.

Wniosek

Frezowanie ultradźwiękowe twardszych cząstek wymaga sonizacji pod ciśnieniem w celu wytworzenia intensywnej kawitacji. Sonizacja pod podwyższonym ciśnieniem (tzw. manosonizacja) zwiększa drastycznie siły ścinające i naprężenia cząstek.
Ciągła sonizacja w linii pozwala na większe obciążenie cząstkami (zawiesina paste-like), co poprawia wyniki frezowania, ponieważ frezowanie ultradźwiękowe opiera się na zderzeniach międzycząsteczkowych.
Sonizacja w dyskretnym układzie recyrkulacji pozwala zapewnić jednorodne traktowanie wszystkich cząstek, a tym samym bardzo wąski rozkład wielkości cząstek.

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

Zalety frezowania ultradźwiękowego

  • Szybko, oszczędzając czas
  • oszczędzanie energii
  • powtarzalne wyniki
  • Brak nośników do frezowania (brak koralików i pereł)
  • Niskie koszty inwestycji

Wysokowydajne ultradźwiękowe urządzenia ultradźwiękowe

Frezowanie ultradźwiękowe wymaga zastosowania urządzeń ultradźwiękowych o dużej mocy. W celu wygenerowania intensywnych sił kawitacyjnych, kluczowe znaczenie mają wysokie amplitudy i ciśnienie. Hielscher Ultrasonics’ przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo duże amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być z łatwością wykorzystywane w trybie ciągłym 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 której można przezwyciężyć spoiwa międzycząsteczkowe i uzyskać skuteczne efekty frezowania.
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 precyzyjne przetwarzanie, powtarzalną jakość i pozwalają na standaryzację procesu.

Zalety ultradźwięków Hielscher High Performance Ultrasonicators

  • bardzo wysokie amplitudy
  • wysokie ciśnienia
  • proces ciągły w linii produkcyjnej
  • solidny sprzęt
  • liniowego zwiększania skali
  • oszczędność i łatwość obsługi
  • Łatwe do czyszczenia

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Skorzystaj z formularza poniżej, jeśli chcesz zażądać dodatkowych informacji na temat ultradźwiękowej homogenizacji. Chętnie zaoferujemy Państwu system ultradźwiękowy, spełniający Państwa wymagań.









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne ultradźwięki do zastosowań sonochemicznych.

Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe od laboratorium do skali pilotażowej i przemysłowej.

Literatura / Referencje

  • Marquez-Garcia L., Li W., Bomphrey J.J., Jarvis D.J., Min G. (2015): Przygotowanie nanocząsteczek materiałów termoelektrycznych metodą mielenia ultradźwiękowego. Dziennik Materiałów Elektronicznych 2015.


Fakty Warto wiedzieć

Efekt termoelektryczny

Materiały termoelektryczne charakteryzują się pokazując efekt termoelektryczny w mocnej lub wygodnej, użytecznej formie. Efekt termoelektryczny odnosi się do zjawisk, przez które albo różnica temperatur tworzy potencjał elektryczny albo potencjał elektryczny tworzy różnicę temperatur. Zjawiska te znane są jako efekt Seebecka, który opisuje zamianę temperatury na prąd, efekt Peltiera, który opisuje zamianę prądu na temperaturę, oraz efekt Thomsona, który opisuje ogrzewanie/chłodzenie przewodnika. Wszystkie materiały mają niezerowy efekt termoelektryczny, ale w większości materiałów jest on zbyt mały, aby mógł być użyteczny. Jednakże tanie materiały, które wykazują wystarczająco silny efekt termoelektryczny, jak również inne wymagane właściwości, aby mogły być stosowane, mogą być stosowane w takich zastosowaniach, jak wytwarzanie energii i chłodnictwo. Obecnie telluryd bizmutu (Bi2Te3) jest szeroko stosowany ze względu na jego efekt termoelektryczny.