Ultrazvočno rezkanje termoelektričnih nano-praškov

• Raziskave so pokazale, da se ultrazvočno rezkanje lahko uspešno uporablja za izdelavo termoelektričnih nanodelcev in ima potencial za manipulacijo površin delcev.
• Ultrazvočno brušeni delci (npr. Bi₂Te₃-na osnovi zlitine) je pokazal znatno zmanjšanje velikosti in izdelane nanodelce z manj kot 10 μm.
• Poleg tega ultrazvočna razbijanja povzroča pomembne spremembe površinske morfologije delcev in s tem omogoča funkcionalizacijo površine mikro- in nanodelcev.

termoelektrični nanodelci

Termoelektrični materiali pretvarjajo toplotno energijo v električno energijo na podlagi Seebeckovega in Peltierjevega učinka. S tem je mogoče težko uporabno ali skoraj izgubljeno toplotno energijo učinkovito spremeniti v produktivne aplikacije. Ker se termoelektrični materiali lahko vključijo v nove aplikacije, kot so biotermalne baterije, polprevodniško termoelektrično hlajenje, optoelektronske naprave, vesoljska in avtomobilska proizvodnja električne energije, raziskave in industrija iščejo enostavne in hitre tehnike za proizvodnjo okolju prijaznih, ekonomičnih in visoko temperaturno stabilnih termoelektričnih nanodelcev. ultrazvočno rezkanje in sintezo od spodaj navzgor (Sonokristalizacija) so obetavne poti do hitre množične proizvodnje termoelektričnih nanomaterialov.

Ultrazvočna rezkalna oprema

Za zmanjšanje velikosti delcev telurida bizmuta (Bi₂Te₃), magnezijev silicid (Mg₂Si) in silicijev (Si) prah, ultrazvočni sistem visoke intenzivnosti UIP1000hdT (1kW, 20kHz) je bila uporabljena v odprti čaši. Za vse poskuse je bila amplituda nastavljena na 140 μm. Posoda za vzorec se ohladi v vodni kopeli, temperatura pa se nadzoruje s termo-členom. Zaradi ultrazvočnega razbijanja v odprti posodi je bilo uporabljeno hlajenje, da se prepreči izhlapevanje raztopin za mletje (npr. Etanol, butanol ali voda).

(a) Shematski diagram poskusne postavitve. (b) Ultrazvočna rezkalna naprava. vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultrazvočno rezkanje za samo 4 ure Bi₂Te₃-Zlitina je že dala precejšnjo količino nanodelcev velikosti med 150 in 400 nm. Poleg zmanjšanja velikosti na nano območje je ultrazvočno razbijanje povzročilo tudi spremembo površinske morfologije. Slike SEM na spodnji sliki b, c in d kažejo, da so ostri robovi delcev pred ultrazvočnim rezkanjem postali gladki in okrogli po ultrazvočnem rezkanju.

Porazdelitev velikosti delcev in slike SEM zlitine na osnovi Bi2Te3 pred in po ultrazvočnem rezkanju. a – Porazdelitev velikosti delcev; b – SEM slika pred ultrazvočnim rezkanjem; c – SEM slika po ultrazvočnem rezkanju 4 ure; d – SEM slika po ultrazvočnem rezkanju 8 ur.
vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Da bi ugotovili, ali se zmanjšanje velikosti delcev in sprememba površine edinstveno dosežeta z ultrazvočnim mletjem, so bili podobni poskusi izvedeni z uporabo visokoenergijskega krogličnega mlinska. Rezultati so prikazani na sliki 3. Očitno je, da so delci 200–800 nm nastali s krogličnim mletjem 48 ur (12-krat dlje kot ultrazvočno rezkanje). SEM kaže, da so ostri robovi Bi₂Te₃-Delci zlitine po mletju ostanejo v bistvu nespremenjeni. Ti rezultati kažejo, da so gladki robovi edinstvene lastnosti ultrazvočnega rezkanja. Izjemen je tudi prihranek časa z ultrazvočnim rezkanjem (4 h v primerjavi s 48 urami krogličnega mletja).

Porazdelitev velikosti delcev in SEM slike Mg2Si pred in po ultrazvočnem rezkanju. (a) porazdelitev velikosti delcev; (b) SEM slika pred ultrazvočnim rezkanjem; (c) SEM slika po ultrazvočnem rezkanju v 50% PVP-50% EtOH za 2 uri.
vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) ugotavljajo, da lahko ultrazvočno rezkanje razgradi Bi₂Te₃ in Mg₂Si prašek v manjše delce, katerih velikosti segajo od 40 do 400 nm, kar kaže na potencialno tehniko za industrijsko proizvodnjo nanodelcev. V primerjavi z visokoenergijskim krogličnim mletjem ima ultrazvočno rezkanje dve edinstveni značilnosti:

1. 1. pojav vrzeli velikosti delcev, ki ločuje prvotne delce od tistih, ki nastanejo z ultrazvočnim rezkanjem; in
2. 2. Po ultrazvočnem rezkanju so vidne bistvene spremembe v morfologiji površin, kar kaže na možnost manipulacije s površinami delcev.

Sklep

Ultrazvočno mletje težjih delcev zahteva ultrazvočno razbijanje pod pritiskom, da se ustvari intenzivna kavitacija. Ultrazvočno razbijanje pod povišanim tlakom (tako imenovana manosonika) drastično poveča strižne sile in napetost delcev.
Neprekinjena ultrazvočna nastavitev omogoča večjo obremenitev delcev (pastasta gnojevka), kar izboljša rezultate mletja, saj ultrazvočno mletje temelji na trku med delci.
Sonication v diskretni recirkulaciji omogoča zagotavljanje homogene obdelave vseh delcev in s tem zelo ozko porazdelitev velikosti delcev.

Glavna prednost ultrazvočnega rezkanja je, da se tehnologija lahko zlahka poveča za proizvodnjo velikih količin - komercialno dostopno, zmogljivo industrijsko ultrazvočno rezkanje lahko obdeluje količine do 10 m³/h.

Prednosti ultrazvočnega rezkanja

• Hiter in prihranek časa
• Varčevanje z energijo
• ponovljivi rezultati
• Brez medija za rezkanje (brez kroglic ali biserov)
• Nizki stroški naložbe

Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati

Ultrazvočno rezkanje zahteva ultrazvočno opremo visoke moči. Za ustvarjanje intenzivnih kavitacijskih strižnih sil so ključne visoke amplitude in tlak. Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. V kombinaciji s Hielscherjevimi reaktorji s pretokom pod tlakom se ustvari zelo intenzivna kavitacija, tako da je mogoče premagati medmolekularne vezi in doseči učinkovite učinke mletja.
Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Digitalni in daljinski upravljalnik ter avtomatsko snemanje podatkov na vgrajeno kartico SD zagotavljajo natančno obdelavo, ponovljivo kakovost in standardizacijo procesov.

Prednosti Hielscher visoko zmogljivih ultrazvočnih aparatov

• zelo visoke amplitude
• visoki tlaki
• Neprekinjen inline proces
• robustna oprema
• Linearno povečanje
• Varčevanje in enostavno upravljanje
• Enostavno čiščenje