Ультразвуковое измельчение термоэлектрических нанопорошков

• Исследования показали, что ультразвуковое измельчение может быть успешно использовано для изготовления термоэлектрических наночастиц и обладает потенциалом для манипулирования поверхностями частиц.
• Частицы, измельченные ультразвуком (например, Bi₂Те₃-на основе сплава) показали значительное уменьшение размера и изготовлены наночастицы размером менее 10 мкм.
• Кроме того, ультразвуковая обработка приводит к значительным изменениям морфологии поверхности частиц и тем самым позволяет функционализировать поверхность микро- и наночастиц.

термоэлектрические наночастицы

Термоэлектрические материалы преобразуют тепловую энергию в электрическую на основе эффекта Зеебека и Пельтье. Таким образом, становится возможным эффективно превращать трудноиспользуемую или почти потерянную тепловую энергию в продуктивные приложения. Поскольку термоэлектрические материалы могут быть включены в новые приложения, такие как биотермальные батареи, твердотельное термоэлектрическое охлаждение, оптоэлектронные устройства, космос и автомобильная энергетика, исследователи и промышленность ищут простые и быстрые методы производства экологически чистых, экономичных и устойчивых к высоким температурам термоэлектрических наночастиц. ультразвуковое фрезерование а также синтез снизу вверх (Сонокристаллизация) являются перспективными путями к быстрому массовому производству термоэлектрических наноматериалов.

Ультразвуковое фрезерное оборудование

Для уменьшения размера частиц теллурида висмута (Bi₂Те₃), силицид магния (Mg₂Si) и порошке кремния (Si), высокоинтенсивной ультразвуковой системе УИП1000HDT (1 кВт, 20 кГц) использовался в открытой установке стакана. Для всех испытаний амплитуда была установлена на 140 мкм. Сосуд для образца охлаждается на водяной бане, температура контролируется термопарой. Из-за ультразвука в открытом сосуде охлаждение использовалось для предотвращения испарения измельчающих растворов (например, этанола, бутанола или воды).

(a) Принципиальная схема экспериментальной установки. (b) Ультразвуковая фрезерная аппаратура. источник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ультразвуковое фрезерование всего за 4 часа Bi₂Те₃-сплав уже дает значительное количество наночастиц с размерами от 150 до 400 нм. Помимо уменьшения размера до нанодиапазона, ультразвук также привел к изменению морфологии поверхности. Изображения SEM на рисунках ниже b, c и d показывают, что острые края частиц до ультразвукового фрезерования стали гладкими и круглыми после ультразвукового фрезерования.

Гранулометрический состав и СЭМ-изображения сплава на основе Bi2Te3 до и после ультразвукового фрезерования. a – Гранулометрическое распределение; b – СЭМ-изображение перед ультразвуковым фрезерованием; c – СЭМ-изображение после ультразвукового фрезерования в течение 4 ч; d – СЭМ-изображение после ультразвукового фрезерования в течение 8 ч.
источник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Чтобы определить, достигается ли уменьшение размера частиц и модификация поверхности исключительно с помощью ультразвукового фрезерования, аналогичные эксперименты были проведены с использованием высокоэнергетической шаровой мельницы. Результаты представлены на рисунке 3. Очевидно, что частицы размером 200–800 нм получались при шаровом фрезеровании в течение 48 ч (в 12 раз дольше, чем при ультразвуковом фрезеровании). SEM показывает, что острые края Bi₂Те₃-Частицы сплава остаются практически неизменными после фрезерования. Эти результаты указывают на то, что гладкие края являются уникальными характеристиками ультразвукового фрезерования. Экономия времени за счет ультразвукового фрезерования (4 часа против 48 часов при фрезеровании шариков) также является замечательной.

Распределение частиц по размерам и СЭМ-изображения Mg2Si до и после ультразвукового измельчения. а) распределение частиц по размерам; (b) СЭМ-изображение до ультразвукового фрезерования; (c) Изображение СЭМ после ультразвукового фрезерования при 50% PVP–50% EtOH в течение 2 ч.
источник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) пришли к выводу, что ультразвуковое фрезерование может привести к ухудшению Bi₂Те₃ и Mg₂Порошок Si в более мелкие частицы, размеры которых варьируются от 40 до 400 нм, что предполагает потенциальную технологию промышленного производства наночастиц. По сравнению с высокоэнергетическим шаровым фрезерованием, ультразвуковое фрезерование имеет две уникальные характеристики:

1. 1. возникновение зазора между частицами и размерами частиц, отделяющих исходные частицы от частиц, полученных при ультразвуковом фрезеровании; и
2. 2. После ультразвукового фрезерования заметны существенные изменения в морфологии поверхности, что указывает на возможность манипулирования поверхностями частиц.

Заключение

Ультразвуковое измельчение более твердых частиц требует ультразвуковой обработки под давлением для создания интенсивной кавитации. Ультразвуковая обработка под повышенным давлением (так называемая манозонация) резко увеличивает поперечные силы и напряжение на частицах.
Непрерывная встроенная ультразвуковая установка обеспечивает более высокую нагрузку частиц (пастообразная суспензия), что улучшает результаты измельчения, поскольку ультразвуковое измельчение основано на столкновении между частицами.
Ультразвуковая обработка в установке дискретной рециркуляции позволяет обеспечить однородную обработку всех частиц и, следовательно, очень узкое распределение частиц по размерам.

Основным преимуществом ультразвукового фрезерования является то, что эта технология может быть легко масштабирована для производства больших партий — коммерчески доступный, мощный промышленный ультразвуковой фрезерный станок может обрабатывать объемы до 10 м³/ч.

Преимущества ультразвукового фрезерования

• Быстро, экономя время
• Энергосбережение
• воспроизводимые результаты
• Без мельничных сред (без бусин и жемчуга)
• Низкие инвестиционные затраты

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты

Для ультразвукового фрезерования требуется ультразвуковое оборудование высокой мощности. Для создания интенсивных кавитационных сил сдвига решающее значение имеют высокие амплитуды и давление. Ультразвуковые технологии Hielscher’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. В сочетании с проточными реакторами Hielscher под давлением создается очень интенсивная кавитация, что позволяет преодолеть межмолекулярные связи и достичь эффективных эффектов измельчения.
Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях. Цифровое и дистанционное управление, а также автоматическая запись данных на встроенную SD-карту обеспечивают точную обработку, воспроизводимое качество и позволяют стандартизировать процесс.

Преимущества высокопроизводительных ультразвуковых аппаратов Hielscher

• очень большие амплитуды
• высокое давление
• Непрерывный поточный процесс
• Прочное оборудование
• Линейное масштабирование вверх
• Экономичность и простота в эксплуатации
• Легко чистится