Fresagem ultra-sónica de nano-pós termoeléctricos

• A investigação demonstrou que a moagem ultra-sónica pode ser utilizada com sucesso para o fabrico de nanopartículas termoeléctricas e tem o potencial de manipular as superfícies das partículas.
• Partículas moídas por ultra-sons (por exemplo, Bi₂Te₃-) mostrou uma redução significativa do tamanho e fabricou nano-partículas com menos de 10µm.
• Além disso, a sonicação produz alterações significativas na morfologia da superfície das partículas e permite, assim, funcionalizar a superfície de micro e nanopartículas.

nanopartículas termoeléctricas

Os materiais termoeléctricos convertem a energia térmica em energia eléctrica com base nos efeitos Seebeck e Peltier. Deste modo, torna-se possível transformar eficazmente a energia térmica dificilmente utilizável ou quase perdida em aplicações produtivas. Uma vez que os materiais termoeléctricos podem ser incluídos em novas aplicações, tais como baterias biotérmicas, arrefecimento termoelétrico de estado sólido, dispositivos optoelectrónicos, espaço e produção de energia automóvel, a investigação e a indústria procuram técnicas fáceis e rápidas para produzir nanopartículas termoeléctricas respeitadoras do ambiente, económicas e estáveis a altas temperaturas. fresagem por ultra-sons bem como a síntese ascendente (sono-cristalização) são vias promissoras para a rápida produção em massa de nanomateriais termoeléctricos.

Equipamento de fresagem por ultra-sons

Para a redução do tamanho das partículas de telureto de bismuto (Bi₂Te₃), siliceto de magnésio (Mg₂Si) e pó de silício (Si), o sistema ultrassónico de alta intensidade UIP1000hdt (1kW, 20kHz) foi utilizado numa configuração de copo aberto. Para todos os ensaios, a amplitude foi fixada em 140µm. O recipiente de amostra é arrefecido num banho de água, a temperatura é controlada por termopar. Devido à sonicação num recipiente aberto, o arrefecimento foi utilizado para evitar a evaporação das soluções de moagem (por exemplo, etanol, butanol, ou água).

(a) Diagrama esquemático da instalação experimental. (b) Aparelho de fresagem por ultra-sons. fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Fresagem por ultra-sons para apenas 4h de Bi₂Te₃-já produziu uma quantidade substancial de nanopartículas com tamanhos entre 150 e 400 nm. Para além da redução do tamanho para a gama nano, a sonicação também resultou numa alteração da morfologia da superfície. As imagens SEM na figura abaixo b, c, e d mostram que as bordas afiadas das partículas antes da moagem ultra-sónica tornaram-se lisas e redondas após a moagem ultra-sónica.

Distribuição da dimensão das partículas e imagens SEM da liga à base de Bi2Te3 antes e depois da moagem por ultra-sons. a – Distribuição da dimensão das partículas; b – Imagem SEM antes da moagem por ultra-sons; c – Imagem SEM após moagem ultra-sónica durante 4 h; d – Imagem SEM após moagem ultra-sónica durante 8 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Para determinar se a redução do tamanho das partículas e a modificação da superfície são conseguidas exclusivamente por moagem ultra-sónica, foram realizadas experiências semelhantes utilizando um moinho de bolas de alta energia. Os resultados são apresentados na Fig. 3. É evidente que as partículas de 200-800 nm foram produzidas por moagem de bolas durante 48 h (12 vezes mais tempo do que a moagem ultra-sónica). O SEM mostra que as arestas vivas das partículas de Bi₂Te₃-As partículas de liga metálica permanecem essencialmente inalteradas após a moagem. Estes resultados indicam que as arestas lisas são caraterísticas únicas da moagem por ultra-sons. A economia de tempo por moagem ultra-sônica (4 h vs 48 h moagem de bola) são notáveis, também.

Distribuição do tamanho das partículas e imagens SEM de Mg2Si antes e depois da moagem ultra-sónica. (a) Distribuição do tamanho das partículas; (b) imagem SEM antes da moagem ultra-sónica; (c) imagem SEM após moagem ultra-sónica em 50% PVP-50% EtOH durante 2 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluem que a moagem ultra-sônica pode degradar Bi₂Te₃ e Mg₂Si em pó em partículas mais pequenas, cujos tamanhos variam entre 40 e 400 nm, o que sugere uma técnica potencial para a produção industrial de nanopartículas. Em comparação com a moagem de bolas de alta energia, a moagem por ultra-sons tem duas caraterísticas únicas:

1. 1. A ocorrência de uma diferença granulométrica entre as partículas originais e as produzidas por moagem ultra-sónica; e
2. 2. são visíveis alterações substanciais na morfologia da superfície após a moagem por ultra-sons, o que indica a possibilidade de manipular as superfícies das partículas.

Conclusão

A moagem ultra-sónica de partículas mais duras requer a sonicação sob pressão para gerar cavitação intensa. A sonicação sob pressão elevada (a chamada manosonicação) aumenta drasticamente as forças de cisalhamento e a tensão nas partículas.
Uma configuração contínua de sonicação em linha permite uma maior carga de partículas (pasta semelhante a lama), o que melhora os resultados de moagem, uma vez que a moagem ultra-sónica é baseada na colisão inter-partículas.
A sonicação numa configuração de recirculação discreta permite assegurar um tratamento homogéneo de todas as partículas e, por conseguinte, uma distribuição muito estreita do tamanho das partículas.

Uma das principais vantagens da moagem por ultra-sons é o facto de a tecnologia poder ser facilmente ampliada para a produção de grandes quantidades - a moagem por ultra-sons industrial potente, disponível comercialmente, pode tratar quantidades até 10 m³/h.

Vantagens da fresagem por ultra-sons

• Rápido, economiza tempo
• Poupança de energia
• Resultados reprodutíveis
• Sem meios de moagem (sem contas ou pérolas)
• Baixo custo de investimento

Ultrassons de alto desempenho

A fresagem por ultra-sons requer equipamento ultrassónico de alta potência. A fim de gerar forças de cisalhamento cavitacionais intensas, amplitudes e pressões elevadas são cruciais. Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultra-sônicos personalizados estão disponíveis. Em combinação com os reactores de fluxo pressurizável de Hielscher, cavitação muito intensa é criada de modo que as ligações intermoleculares podem ser superadas e efeitos de moagem eficientes são alcançados.
A robustez do equipamento de ultra-sons da Hielscher permite o funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana, em serviço pesado e em ambientes exigentes. O controlo digital e remoto, bem como a gravação automática de dados num cartão SD integrado, garantem um processamento preciso, uma qualidade reprodutível e permitem a normalização do processo.

Vantagens dos ultrassons de alto desempenho Hielscher

• amplitudes muito elevadas
• pressões elevadas
• Processo contínuo em linha
• equipamento robusto
• expansão linear a escala larga
• fácil de utilizar e económico
• fácil de limpar