Frezarea cu ultrasunete a nano-pulberilor termoelectrice

• Cercetările au arătat că frezarea cu ultrasunete poate fi utilizată cu succes pentru fabricarea nanoparticulelor termoelectrice și are potențialul de a manipula suprafețele particulelor.
• Particule frezate ultrasonically (de exemplu, Bi₂Te₃-aliaj pe bază de bază) a prezentat o reducere semnificativă a dimensiunii și nanoparticule fabricate cu mai puțin de 10μm.
• În plus, sonicare produce modificări semnificative ale morfologiei de suprafață a 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 posibilă transformarea eficientă a energiei termice greu utilizabile sau aproape pierdute în aplicații productive. Deoarece materialele termoelectrice pot fi incluse în aplicații noi, cum ar fi bateriile biotermale, răcirea termoelectrică în stare solidă, dispozitivele optoelectronice, spațiul și generarea de energie auto, cercetarea și industria caută tehnici ușoare și rapide pentru a produce nanoparticule termoelectrice ecologice, economice și stabile la temperaturi ridicate. frezare cu ultrasunete precum și sinteza ascendentă (sono-cristalizare) sunt căi promițătoare către producția rapidă în masă de nanomateriale termoelectrice.

Echipamente de frezare cu ultrasunete

Pentru reducerea dimensiunii particulelor telururii de bismut (Bi₂Te₃), silicid de magneziu (Mg₂Si) și siliciu (Si) pulbere, sistemul cu ultrasunete de mare intensitate UIP1000hdT (1kW, 20kHz) a fost utilizat într-o configurație de pahar deschis. Pentru toate studiile, amplitudinea a fost stabilită la 140μm. Vasul de probă se răcește într-o baie de apă, temperatura este controlată prin termocuplu. Datorită sonicare într-un vas deschis, răcirea a fost utilizată pentru a preveni evaporarea soluțiilor de măcinare (de exemplu, etanol, butanol sau apă).

(a) Diagrama schematică a configurației experimentale. (b) Aparat de frezat cu ultrasunete. sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Frezare cu ultrasunete pentru doar 4 ore de Bi₂Te₃-aliaj deja produs într-o cantitate substanțială de nanoparticule cu dimensiuni cuprinse între 150 și 400 nm. Pe lângă reducerea dimensiunii la gama nano, sonicare, de asemenea, a dus la o schimbare a morfologiei suprafeței. Imaginile SEM din figura de mai jos b, c și d arată că marginile ascuțite ale particulelor înainte de frezarea cu ultrasunete au devenit netede și rotunde după frezarea cu ultrasunete.

Distribuția dimensiunii particulelor și imagini SEM ale aliajului pe bază de Bi2Te3 înainte și după frezarea cu ultrasunete. un – Distribuția dimensiunii particulelor; b – Imagine SEM înainte de frezarea cu ultrasunete; c – Imagine SEM după frezare cu ultrasunete timp de 4 ore; d – Imagine SEM după frezarea cu ultrasunete timp de 8 ore.
sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Pentru a determina dacă reducerea dimensiunii particulelor și modificarea suprafeței sunt realizate în mod unic prin frezarea cu ultrasunete, experimente similare au fost efectuate folosind o moară cu bile de mare energie. Rezultatele sunt prezentate în Fig. 3. Este evident că particulele de 200-800 nm au fost produse prin frezare cu bile timp de 48 de ore (de 12 ori mai mult decât frezarea cu ultrasunete). SEM arată că marginile ascuțite ale Bi₂Te₃-particulele de aliaj rămân în esență neschimbate după măcinare. Aceste rezultate indică faptul că marginile netede sunt caracteristici unice ale frezării cu ultrasunete. Economisirea timpului prin frezare cu ultrasunete (frezare cu bile 4 h vs 48 h) este, de asemenea, remarcabilă.

Distribuția dimensiunii particulelor și imaginile SEM ale Mg2Si înainte și după frezarea cu ultrasunete. (a) distribuția granulometrică; (b) imaginea SEM înainte de frezarea cu ultrasunete; (c) Imagine SEM după frezarea cu ultrasunete în 50% PVP-50% EtOH timp de 2 ore.
sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluzionează că frezarea cu ultrasunete poate degrada Bi₂Te₃ și Mg₂Pulbere Si în particule mai mici, ale căror dimensiuni variază de la 40 la 400 nm, sugerând o tehnică potențială pentru producția industrială de nanoparticule. În comparație cu frezarea cu bile de înaltă energie, frezarea cu ultrasunete are două caracteristici unice:

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

Concluzie

Frezarea cu ultrasunete a particulelor mai dure necesită sonicare sub presiune pentru a genera cavitație intensă. Sonicare sub presiune ridicată (așa-numita manosonicare) crește forțele de forfecare și stresul la particule drastic.
O configurație continuă de sonicare în linie permite o sarcină mai mare a particulelor (suspensie asemănătoare pastei), care îmbunătățește rezultatele de frezare, deoarece frezarea cu ultrasunete se bazează pe coliziunea interparticulelor.
Sonicare într-o configurație discretă de recirculare permite asigurarea unui tratament omogen al tuturor particulelor și, prin urmare, o distribuție foarte îngustă a dimensiunii particulelor.

Un avantaj major al frezării cu ultrasunete este că tehnologia poate fi ușor scalată pentru producția de cantități mari - frezarea cu ultrasunete industrială puternică disponibilă în comerț poate gestiona cantități de până la 10m³/h.

Avantajele frezării cu ultrasunete

• Rapid, care economisește timp
• Economie de energie
• rezultate reproductibile
• Fără medii de frezare (fără mărgele sau perle)
• Cost redus al investiției

Ultrasonicators de înaltă performanță

Frezarea cu ultrasunete necesită echipament cu ultrasunete de mare putere. Pentru a genera forțe de forfecare cavitaționale intense, amplitudinile și presiunea ridicate sunt cruciale. Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele industriale cu ultrasunete pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. În combinație cu reactoarele cu flux presurizabil Hielscher, se creează o cavitație foarte intensă, astfel încât legăturile intermoleculare să poată fi depășite și să se obțină efecte eficiente de măcinare.
Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante. Controlul digital și de la distanță, precum și înregistrarea automată a datelor pe un card SD încorporat asigură o procesare precisă, o calitate reproductibilă și permit standardizarea procesului.

Avantajele ultrasonicators Hielscher de înaltă performanță

• amplitudini foarte mari
• presiuni ridicate
• Proces continuu în linie
• Echipamente robuste
• Scalare liniară
• Salvați și ușor de operat
• Ușor de curățat