Ultrazvočni rezkanje Termoelektričnih nano-praški

• Raziskave so pokazale, da se lahko ultrazvočni rezkanje uspešno uporablja za izdelavo termoelektričnih nanodelcev in ima potencial za manipuliranje površin delcev.
• Ultrazvočno brušeni delci (npr.₂Te₃na osnovi zlitine) je pokazala znatno zmanjšanje velikosti in izdelane nano-delce z manj kot 10 μm.
• Poleg tega, ultrazvočno razbijanje proizvaja pomembne spremembe površinske morfologije delcev in omogočajo s tem funkcionalizirati površino mikro-in nano-delcev.

Termoelektrični nanodelci

Termoelektrični materiali pretvorbo toplotne energije na električno energijo, ki temelji na Seebeck in Peltier učinek. S tem postane mogoče praktično uporabno ali skoraj izgubljeno toplotno energijo učinkovito v produktivne aplikacije. Ker se termoelektrični materiali lahko vključijo v nove aplikacije, kot so biotermične baterije, polprevodniški termoelektrični hlajenje, Optoelektronski naprave, prostor in avtomobilska proizvodnja energije, raziskave in industrija išče facile in hitro tehnik za proizvodnjo okolju prijaznih, ekonomično in visoko temperaturno stabilno termoelektrični nanodelci. Ultrazvočni rezkanje kot tudi sinteza od spodaj navzgor (Sono-Kristalizacija) so obetavne poti k hitri množični proizvodnji termoelektričnih nanomaterialov.

Ultrazvočna oprema za rezkanje

Za zmanjšanje velikosti delcev Bizmut Telluride (bi₂Te₃), magnezijev silicid (mg₂Si) in silicij (si) v prahu, visoke intenzivnosti ultrazvočni sistem UIP1000hdT (1kW, 20kHz) je bila uporabljena v odprti čaši nastavitev. Za vse poskuse amplitude je bila nastavljena na 140 μm. Vzorec posode se ohladi v vodni kopeli, temperatura je pod nadzorom Thermo-par. Zaradi ultrazvoka v odprtem plovilu je bilo hlajenje uporabljeno za preprečitev izhlapevanja raztopin za rezkanje (npr. etanol, butanol ali voda).

(a) shematični diagram preskusne nastavitve. (b) ultrazvočni rezkalni aparati. Vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultrazvočni rezkanje za samo 4H bi₂Te₃-zlitine, ki so že prinesle v znatni količini nanodelcev z velikostjo med 150 in 400 nm. Poleg zmanjšanja velikosti nano območju, ultrazvoka tudi povzročila spremembo površinske morfologije. Slike SEM na sliki spodaj b, c, in d izpis, da ostre robove delcev pred ultrazvočno rezkanje so postale gladke in okrogle po ultrazvočni rezkanje.

Delcev velikosti distribucije in SEM slike Bi2Te3 osnovi zlitine pred in po ultrazvočni rezkanje. A – Porazdelitev velikosti delcev; B – SEM sliko pred ultrazvočno rezkanje; C – SEM sliko po ultrazvočni rezkanje za 4 h; D – SEM sliko po ultrazvočni rezkanje za 8 h.
Vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Da bi ugotovili, ali je zmanjšanje velikosti delcev in spreminjanje površine enolično doseženo z ultrazvočnim rezom, so bili podobni poskusi izvedeni z uporabo visoko energijskih krogličnih mlinov. Rezultati so prikazani na sliki 3. Očitno je, da so bili delci 200 – 800 nm proizvedeni z brušenja žoge za 48 h (12-krat daljši od ultrazvočnega rezkanja). SEM kaže, da ostre robove bi₂Te₃-zlitine delci ostajajo v bistvu nespremenjena po rezkanju. Ti rezultati kažejo, da so gladki robovi edinstvene značilnosti ultrazvočnega rezkanja. Prihranek časa z ultrazvočnim rezanjem (4 h vs 48 h žogo rezkanje) so izjemni, preveč.

Delcev velikosti distribucije in SEM slike Mg2Si pred in po ultrazvočni rezkanje. (a) porazdelitev velikosti delcev; (b) slika SEM pred ultrazvočno rezkanje; (c) SEM sliko po ultrazvočni rezkanje v 50% PVP-50% EtOH za 2 h.
Vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) sklepati, da lahko ultrazvočni rezkanje razgradijo bi₂Te₃ in mg₂Si prašek v manjših delcev, velikosti, ki segajo od 40 do 400 nm, kar kaže na potencialno tehniko za industrijsko proizvodnjo nanodelcev. V primerjavi z visoko energetsko rezkanje žogo, ultrazvočni rezkanje ima dve edinstveni značilnosti:

1. 1. pojav vrzeli v velikosti delcev, ki ločuje prvotne delce od tistih, ki jih proizvaja ultrazvočni rezkanje; In
2. 2. bistvene spremembe površinske morfologije so očitne po ultrazvočni rezanju, kar kaže na možnost manipulacije površin delcev.

Zaključek

Ultrazvočni rezkanje težje delcev zahteva ultrazvočno razbijanje pod pritiskom za ustvarjanje intenzivno kavitacija. Ultrazvoka pod povišanim tlakom (tako imenovane manosonication) povečuje strižnih sil in stresa na delce drastično.
Neprekinjen inline ultrazvoka setup omogoča višjo obremenitev delcev (paste podobnih gnojevke), ki izboljšuje rezkanje rezultate, saj ultrazvočni rezkanje temelji na med-delcev trčenja.
Ultrazvoka v diskretnih recirkulacijo setup omogoča, da se zagotovi homogeno obdelavo vseh delcev in zato zelo ozko porazdelitev velikosti delcev.

Velika prednost ultrazvočno rezkanje je, da se lahko tehnologija zlahka povečajo za proizvodnjo velikih količin-komercialno na voljo, močna industrijska Ultrazvočna rezkanje lahko ročaj zneske do 10 m³/h.

Prednosti ultrazvočne rezkanje

• Hitro, prihranek časa
• varčevanje z energijo
• ponovljive rezultate
• Brez rezkanja medij (brez biserov ali biseri)
• Nizki naložbeni stroški

Visoko zmogljivih Ultrasonicators

Ultrazvočni rezkanje zahteva visoko moč ultrazvočne opreme. Da bi ustvarili intenzivno kavitacijske strižnih sil, visoke amplitude in pritisk so ključnega pomena. Hielscher Ultrazvočna’ industrijski ultrazvočni procesorji lahko poda zelo visoko amplitudi. Amplitudi do 200 μm je mogoče enostavno neprekinjeno teči v 24/7 operaciji. Za še višje amplitude, prilagojene ultrazvočne sonotrodes so na voljo. V kombinaciji z Hielscher je Stisljivo tok reaktorji, zelo intenzivno kavitacija je ustvarjen tako, da je mogoče premagati medmolekularne Bondings in učinkovito rezkanje učinke.
Robustnost Hielscher je Ultrazvočna oprema omogoča 24/7 delovanje na težka in v zahtevnih okoljih. Digitalni in daljinski upravljalnik ter samodejni zapis podatkov na vgrajeno kartico SD zagotavljata natančno obdelavo, ponovljivo kakovost in omogočajo standardizacijo procesov.

Prednosti Hielscher visoko zmogljivih Ultrasonicators

• zelo visoko amplitudi
• visoki pritiski
• neprekinjen inline proces
• robustna oprema
• linearna lestvica navzgor
• shranjevanje in enostaven za uporabo
• Enostavno čiščenje