Moagem ultrassônica de nano-pós termoelétricos

• A pesquisa mostrou que a fresagem ultrassônica pode ser usada com sucesso para a fabricação de nanopartículas termoelétricas e tem o potencial de manipular as superfícies das partículas.
• Partículas moídas por ultrassom (por exemplo, Bi₂Te₃-base) apresentaram uma redução significativa de tamanho e fabricaram nanopartículas com menos de 10μm.
• Além disso, a sonicação produz mudanças significativas na morfologia da superfície das partículas e permite, assim, funcionalizar a superfície de micro e nanopartículas.

nanopartículas termoelétricas

Os materiais termoelétricos convertem energia térmica em energia elétrica com base no efeito Seebeck e Peltier. Assim, torna-se possível transformar efetivamente energia térmica dificilmente utilizável ou quase perdida em aplicações produtivas. Uma vez que os materiais termoelétricos podem ser incluídos em novas aplicações, como baterias biotérmicas, resfriamento termoelétrico de estado sólido, dispositivos optoeletrônicos, espaço e geração de energia automotiva, a pesquisa e a indústria estão procurando técnicas fáceis e rápidas para produzir nanopartículas termoelétricas ecologicamente corretas, econômicas e estáveis a altas temperaturas. fresagem ultrassônica bem como a síntese de baixo para cima (sonocristalização) são rotas promissoras para a rápida produção em massa de nanomateriais termoelétricos.

Equipamento de trituração ultrassônico

Para a redução do tamanho das partículas do telureto de bismuto (Bi₂Te₃), silicieto de magnésio (Mg₂Si) e pó de silício (Si), o sistema ultrassônico de alta intensidade UIP1000hdT (1kW, 20kHz) foi usado em uma configuração de béquer aberto. Para todos os ensaios, a amplitude foi definida para 140μm. O recipiente de amostra é resfriado em banho-maria, a temperatura é controlada por termopar. Devido à sonicação em um recipiente aberto, o resfriamento foi usado para evitar a evaporação das soluções de moagem (por exemplo, etanol, butanol ou água).

(a) Diagrama esquemático da configuração experimental. b) Aparelhos de fresagem ultrassónicos. fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Moagem ultrassônica por apenas 4h de Bi₂Te₃-liga já rendeu uma quantidade substancial de nanopartículas com tamanhos entre 150 e 400 nm. Além da redução de tamanho para a faixa nano, a sonicação também resultou em uma mudança na morfologia da superfície. As imagens SEM na figura abaixo b, c e d mostram que as bordas afiadas das partículas antes da fresagem ultrassônica tornaram-se lisas e redondas após a fresagem ultrassônica.

Distribuição de tamanho de partícula e imagens SEM de liga à base de Bi2Te3 antes e depois da fresagem ultrassônica. um – Distribuição granulométrica; b – Imagem SEM antes da fresagem ultrassônica; c – Imagem de MEV após fresagem ultrassônica por 4 h; d – Imagem SEM após fresagem ultrassônica por 8 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Para determinar se a redução do tamanho das partículas e a modificação da superfície são alcançadas exclusivamente pela moagem ultrassônica, experimentos semelhantes foram conduzidos usando um moinho de bolas de alta energia. Os resultados são mostrados na Fig. 3. É evidente que partículas de 200 a 800 nm foram produzidas por moagem de bolas por 48 h (12 vezes mais do que a moagem ultrassônica). O SEM mostra que as arestas afiadas do Bi₂Te₃-as partículas de liga permanecem essencialmente inalteradas após a moagem. Esses resultados indicam que as bordas lisas são características únicas da fresagem ultrassônica. A economia de tempo por meio da fresagem ultrassônica (fresagem de esferas de 4 h vs 48 h) também é notável.

Distribuição granulométrica e imagens SEM de Mg2Si antes e depois da moagem ultrassônica. (a) Distribuição granulométrica; (b) Imagem SEM antes da fresagem ultrassônica; (c) Imagem SEM após moagem ultrassônica em 50% PVP–50% EtOH por 2 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluem que a moagem ultrassônica pode degradar Bi₂Te₃ e Mg₂Pó de Si em partículas menores, cujos tamanhos variam de 40 a 400 nm, sugerindo uma técnica potencial para a produção industrial de nanopartículas. Em comparação com a fresagem de bolas de alta energia, a fresagem ultrassônica tem duas características únicas:

1. 1. a ocorrência de uma lacuna de tamanho de partícula separando as partículas originais daquelas produzidas por moagem ultrassônica; e
2. 2. Mudanças substanciais na morfologia da superfície são aparentes após a moagem ultrassônica, indicando a possibilidade de manipular as superfícies das partículas.

Conclusão

A moagem ultrassônica de partículas mais duras requer sonicação sob pressão para gerar cavitação intensa. A sonicação sob pressão elevada (a chamada manosonização) aumenta drasticamente as forças de cisalhamento e a tensão nas partículas.
Uma configuração de sonicação contínua em linha permite uma carga de partículas mais alta (pasta pastosa), o que melhora os resultados da moagem, uma vez que a moagem ultrassônica é baseada na colisão entre partículas.
A sonicação em uma configuração de recirculação discreta permite garantir um tratamento homogêneo de todas as partículas e, portanto, uma distribuição de tamanho de partícula muito estreita.

Uma grande vantagem da fresagem ultrassônica é que a tecnologia pode ser prontamente ampliada para a produção de grandes quantidades - a poderosa fresagem ultrassônica industrial disponível comercialmente pode lidar com quantidades de até 10 m³/h.

Vantagens da fresagem ultrassônica

• Rápido, com economia de tempo
• Economia de energia
• Resultados reprodutíveis
• Sem meios de fresagem (sem contas ou pérolas)
• Baixo custo de investimento

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