Frezare cu ultrasunete de nano-pulberi termoelectrice

• Cercetările au arătat că frezarea cu ultrasunete poate fi folosit cu succes pentru fabricarea de nanoparticule termoelectrice și are potențialul de a manipula suprafețele particulelor.
• Particule cu mucegai ultrasonically (de ex. bi₂Te₃pe bază de aliaj) a arătat o reducere semnificativă a dimensiunii și nano-particule fabricate cu mai puțin de 10μm.
• În plus, Sonicare produce modificări semnificative ale morfologiei suprafeței particulelor și permite astfel să funcționalizeze suprafața micro-și nano-particule.

Nanoparticule termoelectrice

Materialele termoelectrice transformă energia termică în energie electrică pe baza efectului Seebeck și Peltier. Astfel, devine posibil să se transforme greu utilizabil sau aproape pierdut energia termică în mod eficient în aplicații productive. Deoarece materialele termoelectrice pot fi incluse în aplicații noi, ar fi baterii Biotermice, răcire termoelectrică de stat solid, dispozitive optoelectronice, spațiu, și generarea de energie auto, cercetarea și industria sunt în căutare de facile și rapid tehnici pentru a produce ecologic, economice, și temperaturi ridicate-stabile nanoparticule termoelectrice. Frezare cu ultrasunete precum și sinteza de jos în sus (Sono-Cristalizarea) sunt de a promite rute către producția rapidă de masă a nanomaterialelor termoelectrice.

Echipamente de frezat cu ultrasunete

Pentru reducerea dimensiunii particulelor de Telluride bismut (bi₂Te₃), silicid de magneziu (mg₂Si) și silicon (si) pulbere, sistemul de înaltă intensitate cu ultrasunete UIP1000hdT (1kW, 20kHz) a fost utilizat într-un setup de pahar deschis. Pentru toate studiile amplitudine a fost setată la 140 μm. Vasul de probă este răcit într-o baie de apă, temperatura este controlată de termo-cuplu. Datorită Sonicare într-o navă deschisă, răcirea a fost folosit pentru a preveni evaporarea soluțiilor de frezare (de exemplu, etanol, butanol, sau apă).

(a) diagrama schematică a configurării experimentale. (b) aparat de frezat cu ultrasunete. Sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Frezare cu ultrasunete pentru doar 4H de bi₂Te₃-aliaj deja cedat într-o cantitate substanțială de nanoparticule cu dimensiuni între 150 și 400 nm. Pe lângă reducerea dimensiunii la gama nano, Sonicare, de asemenea, a dus la o schimbare de morfologie de suprafață. Imaginile SEM în figura de mai jos b, c, și d afișa că marginile ascuțite ale particulelor înainte de frezare cu ultrasunete au devenit netede și rotunde după frezare cu ultrasunete.

Particule-dimensiune de distribuție și imagini SEM de Bi2Te3-based aliaj înainte și după frezare cu ultrasunete. R – Distribuția dimensiunii particulelor; B – Imagine SEM înainte de frezare cu ultrasunete; C – Imagine SEM după frezare cu ultrasunete pentru 4 h; D – Imagine SEM după frezare cu ultrasunete pentru 8 h.
Sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Pentru a determina dacă dimensiunea particulelor de reducere și modificarea suprafeței sunt realizate în mod unic prin frezare cu ultrasunete, experimente similare au fost efectuate folosind o moara de mare energie. Rezultatele sunt prezentate în Fig. 3. Este evident că 200 – 800 nm particule au fost produse de frezat cu bile pentru 48 h (12 ori mai mult decât cu ultrasunete frezare). SEM arată că marginile ascuțite ale bi₂Te₃-particulele din aliaj rămân în esență neschimbate după frezare. Aceste rezultate indică faptul că marginile netede sunt caracteristici unice de frezare cu ultrasunete. Economisirea timpului prin frezare cu ultrasunete (4 h vs 48 h frezare cu bile) sunt remarcabile, de asemenea.

Particule-dimensiune de distribuție și imagini SEM de Mg2Si înainte și după frezare cu ultrasunete. (a) distribuția dimensiunii particulelor; (b) Imagine SEM înainte de frezare cu ultrasunete; (c) Imagine SEM după frezare cu ultrasunete în 50% PVP-50% EtOH pentru 2 h.
Sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluzionează că frezarea cu ultrasunete poate degrada bi₂Te₃ și mg₂Si pulbere în particule mai mici, dimensiunile care variază de la 40 la 400 nm, sugerând o tehnică potențială pentru producția industrială de nanoparticule. Comparativ cu mare de energie de frezat cu bile, frezare cu ultrasunete are două caracteristici unice:

1. 1. apariția unui decalaj de mărime a particulelor care separă particulele originale de cele produse prin frezare cu ultrasunete; Şi
2. 2. modificările substanțiale ale morfologiei suprafeței sunt evidente după frezarea cu ultrasunete, indicând posibilitatea manipulării suprafețelor particulelor.

Concluzie

Frezarea cu ultrasunete a particulelor mai greu necesită Sonicare sub presiune pentru a genera cavitație intensă. Sonicare sub presiune crescută (așa-numita manosonication) crește forțele de forfecare și stresul la particule drastic.
O configurare continuă inline Sonicare permite o încărcătură mai mare de particule (pastă-ca Slurry), care îmbunătățește rezultatele de frezare, deoarece frezare cu ultrasunete se bazează pe coliziune inter-particule.
Sonicare într-o configurare de recirculare discrete permite asigurarea unui tratament omogen al tuturor particulelor și, prin urmare, o distribuție foarte îngustă a dimensiunii particulelor.

Un avantaj major de frezare cu ultrasunete este că tehnologia poate fi ușor scalate pentru producția de cantități mari-comercial disponibile, puternic industriale de frezat cu ultrasunete poate manipula sumele de până la 10M³bucăți/oră

Avantajele de frezare cu ultrasunete

• Rapid, economisirea timpului
• economie de energie
• rezultate reproductibile
• Fără suporturi de frezare (fără mărgele sau perle)
• Costuri scăzute de investiții

Ultrasonicators de înaltă performanță

Frezare cu ultrasunete necesită echipamente cu ultrasunete de mare putere. Pentru a genera forțe de forfecare intense cavitaționale, amplitudini mari și presiune sunt cruciale. Hielscher Ultrasonics’ procesoare cu ultrasunete industriale pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200 μm pot fi ușor de rulat în mod continuu în 24/7 operațiune. Pentru amplitudini chiar mai mari, sunt disponibile sonotrodes cu ultrasunete personalizate. În combinație cu reactoarele de flux presurizabile Hielscher, cavitație foarte intensă este creată astfel încât bondings intermoleculare pot fi depășite și efecte de frezare eficiente sunt atinse.
Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite pentru 24/7 funcționarea la grele și în medii solicitante. Controlul digital și de la distanță, precum și înregistrarea automată a datelor pe un card SD încorporat asigură procesarea precisă, calitatea reproductibilă și permite standardizarea proceselor.

Avantajele Hielscher ultrasonicators de înaltă performanță

• amplitudini foarte mari
• presiuni ridicate
• proces inline continuu
• echipamente robuste
• la scară liniară
• economisi și ușor de operat
• Ușor de curățat