Ультразвуковая технология Хильшера

Ультразвуковое наноструктурирование для производства пористых металлов

Sonochemistry является очень эффективным инструментом для проектирования и функционализации наноматериалов. В металлургии ультразвуковое облучение способствует образованию пористых металлов. Исследовательская группа д-р Дарья Андреева разработала эффективную и экономичную методику ультразвука для получения мезопористых металлов.
Пористые металлы привлекают большой интерес многоотраслевых технологических отраслей благодаря своим выдающимся характеристикам, таким как их коррозионная стойкость, механическая прочность и способность выдерживать чрезвычайно высокие температуры. Эти свойства основаны на наноструктурированных поверхностях с порами, имеющими диаметр всего несколько нанометров. Мезопористые материалы характеризуются размером пор от 2 до 50 нм, в то время как микропористый материал имеет размер пор менее 2 нм. Международная исследовательская группа, в том числе д-р Дарья Андреева из Университета Байройта (отдел физической химии II), успешно разработала сверхпрочную и экономичную ультразвуковую методику для проектирования и производства таких металлических конструкций.

В этом процессе металлы обрабатывают в водном растворе таким образом, чтобы полости в несколько нанометров эволюционировали в точно определенных зазорах. Для этих специально разработанных конструкций уже существует широкий спектр инновационных приложений, включая очистку воздуха, хранение энергии или медицинские технологии. Особенно перспективным является использование пористых металлов в нанокомпозитах. Это новый класс композиционных материалов, в которых очень тонкая матричная структура заполнена частицами размером до 20 нанометров.

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

Д-р Д. Андреева демонстрирует процедуру обработки ультразвуком твердых частиц в водной суспензии с использованием Uip1000hd ультразвуковой (20 кГц, 1000 Вт). Фото Ch. Висслера

В новой методике используется процесс ультразвукового образования пузырьков, который называется кавитацией в физике (получена из лат. “Cavus” знак равно “полый”). В мореплавании этот процесс опасается из-за большого ущерба, который он может нанести для кораблей и турбин. При очень высоких скоростях вращения водяные пузыри образуются под водой. После короткого периода под чрезвычайно высоким давлением пузырьки рушится внутрь, тем самым деформируя металлические поверхности. Процесс кавитация также может быть сгенерирован с помощью ультразвука. Ультразвук состоит из волн сжатия с частотами выше слышимого диапазона (20 кГц) и генерирует вакуумные пузырьки в воде и водных растворах. При раздувании этих пузырьков возникают температуры в несколько тысяч градусов Цельсия и чрезвычайно высокие давления до 1000 бар.

Ультразвуковое устройство UIP1000hd использовалось для наноструктурирования высокопористых металлов. (Нажмите, чтобы увеличить!)

Схематическое представление эффектов акустической кавитации на модификацию металлических частиц.
Изображение д-ра Д. Андреева

На приведенной выше схеме показаны эффекты акустической кавитации на модификацию металлических частиц. Металлы с низкой температурой плавления (МП) в виде цинка (Zn) полностью окисляются; металлы с высокой температурой плавления, такие как никель (Ni) и титан (Ti), демонстрируют модификацию поверхности при обработке ультразвуком. Алюминий (Al) и магний (Mg) образуют мезопористые структуры. Нобелевские металлы устойчивы к ультрафиолетовому облучению из-за их устойчивости к окислению. Точки плавления металлов указаны в градусах Кельвина (К).

Точный контроль этого процесса может привести к целенаправленному наноструктурированию металлов, взвешенных в водном растворе, с учетом определенных физико-химических характеристик металлов. Металлы реагируют очень по-разному, когда подвергаются такой обработке, как показала д-р Дарья Андреева вместе со своими коллегами в Голме, Берлине и Минске. В металлах с высокой реакционной способностью, таких как цинк, алюминий и магний, постепенно формируется матричная структура, стабилизированная оксидным покрытием. Это приводит к пористым металлам, которые могут, например, дополнительно обрабатываться в композитных материалах. Однако благородные металлы, такие как золото, платина, серебро и палладий, ведут себя по-разному. Из-за их низкой склонности к окислению они противостоят обработке ультразвуком и сохраняют свои первоначальные структуры и свойства.

При обработке ультразвуком может быть сформировано полиэлектролитное покрытие, которое защищает от коррозии. (Нажмите, чтобы увеличить!)

Ультразвуковая защита алюминиевых сплавов от коррозии. [© Skorb et al. 2011]

На рисунке выше показано, что ультразвук может также использоваться для защиты алюминиевых сплавов от коррозии. Слева: фотография алюминиевого сплава в высококоррозионном растворе, ниже электромикроскопического изображения поверхности, на котором - из-за обработки ультразвуком - сформировано полиэлектролитное покрытие. Это покрытие обеспечивает защиту от коррозии в течение 21 дня. Справа: тот же алюминиевый сплав, который не подвергался обработке ультразвуком. Поверхность полностью корродирована.

Тот факт, что разные металлы реагируют совершенно разными способами обработки ультразвуком, может быть использован для инноваций в материаловедении. Сплавы могут быть превращены таким образом в нанокомпозиты, в которых частицы более стабильного материала заключены в пористую матрицу из менее устойчивого металла. Таким образом, очень большие площади поверхности возникают в очень ограниченном пространстве, что позволяет использовать эти нанокомпозиты в качестве катализаторов. Они оказывают особенно быстрое и эффективное химическое воздействие.

Вместе с доктором Дарья Андреевой исследователи, профессор Андреас Фери, д-р Никола Пазос-Перес и Яна Шеферханс, также из отдела физической химии II, внесли свой вклад в результаты исследований. Со своими коллегами из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка в Гольме, Гельмгольца-центра Берлинского государственного университета и энергетики и Белорусского государственного университета в Минске они опубликовали свои последние результаты в Интернете в журнале “наноразмерных”,

Hielscher's ultrasonicator UIP1000hd was successfully used for the formation of mesoporous metals. (Click to enlarge!)

Ультразвуковой процессор Uip1000hd для наноструктурирования металлов

Свяжитесь с нами / Спросите дополнительную информацию

Поговорите с нами о ваших требованиях к обработке. Мы порекомендуем наиболее подходящие параметры настройки и обработки для вашего проекта.





Пожалуйста, обратите внимание на наши политика конфиденциальности,


Справка:

  • Скорб, Екатерина В .; Исправить, Димитрий; Щукин Дмитрий Дмитриевич; Мёвальд, Гельмут; Свиридов Дмитрий Дмитриевич; Муса, Рами; Вандерка, Нелия; Шаферханс, Яна; Пасос-Перес, Николас; Фери, Андреас; Андреева, Дарья В. (2011): Сонохимическое образование металлических губок. наноразмерных – Предварительный переход 3/3, 2011. 985-993.
  • Wißler, Christian (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 обращайтесь: д-р Дарья Андреева, отделение физической химии II Байройтский университет, 95440 Байройт, Германия – телефон: +49 (0) 921 / 55-2750
электронная почта: daria.andreeva@uni-bayreuth.de



Полезные сведения

Ультразвуковые тканевые гомогенизаторы часто называют зондирующим ультразвуком, звуковым лизатором, ультразвуковым разрушителем, ультразвуковым измельчителем, сонорупом, ультразвуком, ультразвуковым демесбратором, клеточным разрушителем, ультразвуковым диспергатором или диссольвером. Различные термины возникают в результате различных приложений, которые могут выполняться ультразвуком.