Hielscher Ultrasonics
Мы будем рады обсудить ваш процесс.
Звоните нам: +49 3328 437-420
Напишите нам: info@hielscher.com

Ультразвуковое наноструктурирование для получения пористых металлов

Сонохимия является очень эффективным инструментом для инженерии и функционализации наноматериалов. В металлургии ультразвуковое облучение способствует образованию пористых металлов. Исследовательская группа доктора Дарьи Андреевой разработала эффективную и экономичную ультразвуковую процедуру получения мезопористых металлов.

Пористые металлы вызывают большой интерес у самых разных технологических отраслей благодаря своим выдающимся характеристикам, таким как коррозионная стойкость, механическая прочность и способность выдерживать экстремально высокие температуры. Эти свойства основаны на наноструктурированных поверхностях с порами диаметром всего в несколько нанометров. Мезопористые материалы характеризуются размерами поз от 2 до 50 нм, в то время как микропористые материалы имеют размер пор менее 2 нм. Международная исследовательская группа, в которую входит доктор Дарья Андреева из Байройтского университета (факультет физической химии II), успешно разработала сверхпрочную и экономичную ультразвуковую процедуру для проектирования и производства таких металлических структур.

В этом процессе металлы обрабатываются в водном растворе таким образом, что в точно определенных зазорах образуются полости размером в несколько нанометров. Для этих конструкций по индивидуальному заказу уже существует широкий спектр инновационных применений, включая очистку воздуха, хранение энергии или медицинские технологии. Особенно перспективным является использование пористых металлов в нанокомпозитах. Это новый класс композитных материалов, в которых очень тонкая матричная структура заполнена частицами размером до 20 нанометров.

UIP1000hd – это мощное ультразвуковое устройство, которое используется для материаловедения, наноструктурирования и модификации частиц. (Нажмите, чтобы увеличить!)

Д-р Д. Андреева демонстрирует процедуру ультразвуковой обработки твердых частиц в водной суспензии с использованием УИП1000HD ультразвуковой аппарат (20 кГц, 1000 Вт). Рисунок Х. Висслера

Новый метод использует процесс образования пузырьков, генерируемых ультразвуком, который в физике называется кавитацией (от лат. “Кавус” = “полый”). В мореплавании этого процесса опасаются из-за большого ущерба, который он может нанести судовым гребным винтам и турбинам. При очень высоких скоростях вращения под водой образуются пузырьки пара. После короткого периода времени под экстремально высоким давлением пузырьки схлопываются внутрь, тем самым деформируя металлические поверхности. Процесс кавитация Также может быть сгенерирован с помощью ультразвука. Ультразвук состоит из компрессионных волн с частотами выше слышимого диапазона (20 кГц) и генерирует вакуумные пузырьки в воде и водных растворах. Температура в несколько тысяч градусов по Цельсию и чрезвычайно высокое давление до 1000 бар возникают, когда эти пузырьки схлопываются.

Ультразвуковой аппарат UIP1000hd был использован для наноструктурирования высокопористых металлов. (Нажмите, чтобы увеличить!)

Схематическое изображение эффектов акустической кавитации на модификацию металлических частиц.
Рисунок д-ра Д. Андреевой

На приведенной выше схеме показано влияние акустической кавитации на модификацию металлических частиц. Металлы с низкой температурой плавления (MP), такие как цинк (Zn), полностью окисляются; металлы с высокой температурой плавления, такие как никель (Ni) и титан (Ti), демонстрируют изменение поверхности под действием ультразвука. Алюминий (Al) и магний (Mg) образуют мезопористые структуры. Металлы Nobel устойчивы к ультразвуковому облучению благодаря своей устойчивости к окислению. Температура плавления металлов указывается в градусах Кельвина (К).

Мощные ультразвуковые силы являются хорошо известным и надежным методом экстракции (Нажмите, чтобы увеличить!)

ультразвуковая кавитация в жидком состоянии

Точное управление этим процессом может привести к целенаправленному наноструктурированию металлов, взвешенных в водном растворе – при определенных физико-химических характеристиках металлов. Ведь металлы очень по-разному реагируют на воздействие такой ультразвука, как показала доктор Дарья Андреева вместе со своими коллегами в Гольме, Берлине и Минске. В металлах с высокой реакционной способностью, таких как цинк, алюминий и магний, постепенно формируется матричная структура, стабилизируемая оксидным покрытием. В результате образуются пористые металлы, которые можно, например, дополнительно перерабатывать в композитные материалы. Однако благородные металлы, такие как золото, платина, серебро и палладий, ведут себя по-разному. Благодаря низкой склонности к окислению они устойчивы к ультразвуковой обработке и сохраняют свою первоначальную структуру и свойства.

С помощью ультразвуковой обработки может быть сформировано полиэлектролитное покрытие, защищающее от коррозии. (Нажмите, чтобы увеличить!)

Ультразвуковая защита алюминиевых сплавов от коррозии. © [ Скорб и др. 2011]

На рисунке выше показано, что ультразвук также может использоваться для защиты алюминиевых сплавов от коррозии. Слева: Фотография алюминиевого сплава в высококоррозионном растворе, под электронно-микроскопическим изображением поверхности, на которой под действием ультразвука образовалось полиэлектронное покрытие. Это покрытие обеспечивает защиту от коррозии в течение 21 дня. Справа: тот же алюминиевый сплав без воздействия ультразвука. Поверхность полностью корродирована.

Тот факт, что разные металлы по-разному реагируют на ультразвук, может быть использован для инноваций в материаловедении. Сплавы могут быть преобразованы таким образом в нанокомпозиты, в которых частицы более стабильного материала заключены в пористую матрицу менее стабильного металла. Таким образом, в очень ограниченном пространстве образуются очень большие площади поверхности, которые позволяют использовать эти нанокомпозиты в качестве катализаторов. Они вызывают особенно быстрые и эффективные химические реакции.

Вместе с доктором Дарьей Андреевой исследователи профессор доктор Андреас Фери, доктор Николас Пазос-Перес и доктор Яна Шеферханс, также из отдела физической химии II, внесли свой вклад в результаты исследования. Вместе с коллегами из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка в Гольме, Берлинского центра Гельмгольца по материалам и энергетике и Белорусского государственного университета в Минске они опубликовали свои последние результаты в журнале “Наномасштаб”.

Ультразвуковой аппарат Хильшера UIP1000hd был успешно применен для формования мезопористых металлов. (Нажмите, чтобы увеличить!)

ультразвуковой процессор УИП1000HD для наноструктурирования металлов

Свяжитесь с нами / Запросите дополнительную информацию

Обсудите с нами ваши требования к обработке. Мы порекомендуем наиболее подходящие параметры настройки и обработки для вашего проекта.





Обратите внимание на наши политика конфиденциальности.


Ссылка:

  • Скорб, Екатерина Владимировна; Фикс, Дмитрий; Щукин, Дмитрий Григорьевич; Möhwald, Helmuth; Свиридов Дмитрий Владимирович; Муса, Рами; Вандерка, Нелия; Шеферханс, Яна; Пазос-Перес, Николас; Фери, Андреас; Андреева, Дарья Владимировна (2011): Сонохимическое образование металлических губок. Наномасштаб – Аванс сначала 3/3, 2011. 985-993.
  • Висслер, Кристиан (2011): Высокоточное наноструктурирование с использованием ультразвука: новая процедура получения пористых металлов. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.

Для получения дополнительной научной информации, пожалуйста, обращайтесь: Д-р Дарья Андреева, Факультет физической химии II Байройтского университета, 95440 Байройт, Германия – Телефон: +49 (0) 921 / 55-2750
Электронная почта: daria.andreeva@uni-bayreuth.de



Факты, которые стоит знать

Ультразвуковые гомогенизаторы тканей часто называют зондовым ультразвуковым аппаратом, звуковым лизером, ультразвуковым разрушителем, ультразвуковым измельчителем, соноразрывом, сонификатором, звуковым дисмембранатором, клеточным разрушителем, ультразвуковым диспергатором или растворителем. Различные термины являются результатом различных применений, которые могут быть выполнены с помощью ультразвуковой обработки.

Мы будем рады обсудить ваш процесс.

Let's get in contact.