Ultrazvukové mletie termoelektrických nanopráškov
- Výskum ukázal, že ultrazvukové frézovanie možno úspešne použiť na výrobu termoelektrických nanočastíc a má potenciál manipulovať s povrchmi častíc.
- Ultrazvukom mleté častice (napr. Bi2Te3-na báze zliatiny) vykazovali výrazné zmenšenie veľkosti a vytvorili nanočastice s menej ako 10 μm.
- Okrem toho sonikácia spôsobuje významné zmeny povrchovej morfológie častíc a umožňuje tak funkcionalizovať povrch mikro- a nanočastíc.
Termoelektrické nanočastice
Termoelektrické materiály premieňajú tepelnú energiu na elektrickú energiu na základe Seebeckovho a Peltierovho efektu. Takto je možné efektívne premeniť ťažko použiteľnú alebo takmer stratenú tepelnú energiu na produktívne aplikácie. Keďže termoelektrické materiály môžu byť zahrnuté do nových aplikácií, ako sú biotermálne batérie, termoelektrické chladenie v pevnej fáze, optoelektronické zariadenia, vesmírna a automobilová výroba energie, výskum a priemysel hľadajú jednoduché a rýchle techniky na výrobu ekologických, ekonomických a vysokoteplotne stabilných termoelektrických nanočastíc. ultrazvukové frézovanie ako aj syntéza zdola nahor (Sono-kryštalizácia) sú sľubnými cestami k rýchlej masovej výrobe termoelektrických nanomateriálov.
Ultrazvukové frézovacie zariadenie
Na zmenšenie veľkosti častíc teluridu bizmutu (Bi2Te3), silicíd horečnatý (Mg)2Si) a kremíkový (Si) prášok, ultrazvukový systém s vysokou intenzitou UIP1000hdT (1 kW, 20 kHz) bol použitý v nastavení otvorenej kadičky. Pre všetky pokusy bola amplitúda nastavená na 140 μm. Nádoba na vzorku sa ochladzuje vo vodnom kúpeli, teplota sa reguluje termočlánkom. V dôsledku sonikácie v otvorenej nádobe sa používalo chladenie, aby sa zabránilo odparovaniu mletých roztokov (napr. etanolu, butanolu alebo vody).

a) Schematický diagram experimentálneho usporiadania. b) Ultrazvukové frézovacie zariadenie. zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.
Ultrazvukové frézovanie len na 4 hodiny Bi2Te3-zliatina už poskytla značné množstvo nanočastíc s veľkosťou medzi 150 a 400 nm. Okrem zmenšenia veľkosti na nanorozsah mala sonikácia za následok aj zmenu morfológie povrchu. Obrázky SEM na obrázku nižšie b, c a d ukazujú, že ostré hrany častíc pred ultrazvukovým frézovaním sa po ultrazvukovom frézovaní stali hladkými a okrúhlymi.

Distribúcia veľkosti častíc a obrázky SEM zliatiny na báze Bi2Te3 pred a po ultrazvukovom frézovaní. a – Distribúcia veľkosti častíc; b – SEM obraz pred ultrazvukovým frézovaním; c – SEM obraz po ultrazvukovom frézovaní po dobu 4 hodín; d – SEM obraz po ultrazvukovom frézovaní po dobu 8 hodín.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.
Aby sa zistilo, či sa zmenšenie veľkosti častíc a úprava povrchu jednoznačne dosiahnu ultrazvukovým mletím, boli podobné experimenty vykonané pomocou vysokoenergetického guľového mlyna. Výsledky sú znázornené na obr. 3. Je zrejmé, že častice 200–800 nm boli produkované guľovým frézovaním po dobu 48 hodín (12-krát dlhšie ako ultrazvukové frézovanie). SEM ukazuje, že ostré hrany Bi2Te3Častice zliatiny zostávajú po mletí v podstate nezmenené. Tieto výsledky naznačujú, že hladké hrany sú jedinečnými vlastnosťami ultrazvukového frézovania. Pozoruhodná je aj úspora času ultrazvukovým frézovaním (4 h vs 48 h guľové frézovanie).

Distribúcia veľkosti častíc a SEM obrázky Mg2Si pred a po ultrazvukovom frézovaní. a) distribúcia veľkosti častíc; (b) Obraz SEM pred ultrazvukovým frézovaním; (c) Obraz SEM po ultrazvukovom frézovaní v 50% PVP–50% EtOH počas 2 hodín.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.
Marquez-Garcia a kol. (2015) dospeli k záveru, že ultrazvukové frézovanie môže degradovať Bi2Te3 a Mg2Si prášok na menšie častice, ktorých veľkosti sa pohybujú od 40 do 400 nm, čo naznačuje potenciálnu techniku pre priemyselnú výrobu nanočastíc. V porovnaní s vysokoenergetickým guľovým frézovaním má ultrazvukové frézovanie dve jedinečné vlastnosti:
- 1. výskyt medzery vo veľkosti častíc oddeľujúcej pôvodné častice od častíc vytvorených ultrazvukovým frézovaním; a
- 2. Podstatné zmeny v morfológii povrchu sú zjavné po ultrazvukovom frézovaní, čo naznačuje možnosť manipulácie s povrchmi častíc.
Záver
Ultrazvukové mletie tvrdších častíc vyžaduje sonikaciu pod tlakom, aby sa vytvorila intenzívna kavitácia. Sonikácia pod zvýšeným tlakom (tzv. manosonikácia) drasticky zvyšuje šmykové sily a napätie častíc.
Kontinuálne inline ultrazvukové nastavenie umožňuje vyššie zaťaženie časticami (pastovitá suspenzia), čo zlepšuje výsledky frézovania, pretože ultrazvukové frézovanie je založené na zrážke medzi časticami.
Sonikácia v diskrétnom recirkulačnom nastavení umožňuje zabezpečiť homogénne spracovanie všetkých častíc, a teda veľmi úzku distribúciu veľkosti častíc.
Hlavnou výhodou ultrazvukového frézovania je, že túto technológiu je možné ľahko rozšíriť na výrobu veľkých množstiev – komerčne dostupné, výkonné priemyselné ultrazvukové frézovanie zvládne množstvo až 10 m3/h.
Výhody ultrazvukového frézovania
- Rýchle a časovo úsporné
- Úspora energie
- reprodukovateľné výsledky
- Žiadne frézovacie médiá (žiadne korálky alebo perly)
- Nízke investičné náklady
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje
Ultrazvukové frézovanie vyžaduje vysokovýkonné ultrazvukové zariadenie. Na vytvorenie intenzívnych kavitačných šmykových síl sú rozhodujúce vysoké amplitúdy a tlak. Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. V kombinácii s tlakovými prietokovými reaktormi Hielscher sa vytvára veľmi intenzívna kavitácia, aby bolo možné prekonať medzimolekulové väzby a dosiahnuť efektívne efekty mletia.
Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach. Digitálne a diaľkové ovládanie, ako aj automatický záznam údajov na vstavanú SD kartu zaisťujú presné spracovanie, reprodukovateľnú kvalitu a umožňujú štandardizáciu procesov.
Výhody vysokovýkonných ultrazvukových prístrojov Hielscher
- veľmi vysoké amplitúdy
- vysoké tlaky
- Kontinuálny inline proces
- robustné vybavenie
- Lineárne škálovanie
- Úsporné a jednoduché ovládanie
- Jednoduché čistenie
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Literatúra/Referencie
- Marquez-Garcia L., Li W., Bomphrey J.J., Jarvis D.J., Min G. (2015): Príprava nanočastíc termoelektrických materiálov ultrazvukovým frézovaním. Časopis elektronických materiálov 2015.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Termoelektrický efekt
Termoelektrické materiály sa vyznačujú vykazovaním termoelektrického efektu v silnej alebo pohodlnej, použiteľnej forme. Termoelektrický efekt sa vzťahuje na javy, pri ktorých buď teplotný rozdiel vytvára elektrický potenciál, alebo elektrický potenciál vytvára teplotný rozdiel. Tieto javy sú známe ako Seebeckov efekt, ktorý popisuje premenu teploty na prúd, Peltierov efekt, ktorý popisuje premenu prúdu na teplotu, a Thomsonov efekt, ktorý popisuje ohrev/chladenie vodiča. Všetky materiály majú nenulový termoelektrický efekt, ale vo väčšine materiálov je príliš malý na to, aby bol užitočný. Lacné materiály, ktoré vykazujú dostatočne silný termoelektrický účinok, ako aj ďalšie požadované vlastnosti na ich využitie, sa však môžu použiť v aplikáciách, ako je výroba energie a chladenie. V súčasnosti telurid bizmutu (Bi2Te3) je široko používaný pre svoj termoelektrický účinok