Ултразвучно млевење термоелектричних нано-прахова

• Истраживања су показала да се ултразвучно млевење може успешно користити за производњу термоелектричних наночестица и да има потенцијал да манипулише површинама честица.
• Ултразвучно млевене честице (нпр. Би₂Те₃легура на бази) показала је значајно смањење величине и направила наночестице са мање од 10 µм.
• Штавише, соникација производи значајне промене морфологије површине честица и тиме омогућава функционализацију површине микро- и нано-честица.

Термоелектричне наночестице

Термоелектрични материјали претварају топлотну енергију у електричну енергију на основу Сеебецк и Пелтиер ефекта. На тај начин постаје могуће да се тешко употребљива или скоро изгубљена топлотна енергија ефикасно претвори у продуктивне примене. Пошто термоелектрични материјали могу бити укључени у нове примене као што су биотермалне батерије, термоелектрично хлађење у чврстом стању, оптоелектронски уређаји, свемир и производња електричне енергије у аутомобилима, истраживање и индустрија траже лаке и брзе технике за производњу еколошки прихватљивих, економичних и високих температурно стабилне термоелектричне наночестице. ултразвучно глодање као и синтеза одоздо према горе (соно-кристализација) су обећавајући путеви за брзу масовну производњу термоелектричних наноматеријала.

Ултразвучна опрема за млевење

За смањење величине честица бизмут телурида (Би₂Те₃), магнезијум силицид (Мг₂Си) и силицијум (Си) прах, ултразвучни систем високог интензитета УИП1000хдТ (1кВ, 20кХз) је коришћен у постављању отворене чаше. За све огледе амплитуда је постављена на 140 µм. Посуда за узорке се хлади у воденом купатилу, температура се контролише термо-паром. Због соникације у отвореном суду, хлађење је коришћено да би се спречило испаравање раствора за млевење (нпр. етанол, бутанол или вода).

(а) Шематски дијаграм експерименталне поставке. (б) Ултразвучни апарат за млевење. извор: Маркуез-Гарциа ет ал. 2015.

Ултразвучно млевење за само 4 сата Би₂Те₃-легура је већ дала значајну количину наночестица величине између 150 и 400 нм. Поред смањења величине на нано опсег, соникација је такође резултирала променом морфологије површине. СЕМ слике на слици испод б, ц и д показују да су оштре ивице честица пре ултразвучног млевења постале глатке и округле након ултразвучног млевења.

Расподела величине честица и СЕМ слике легуре на бази Би2Те3 пре и после ултразвучног млевења. а – Расподела величине честица; б – СЕМ слика пре ултразвучног млевења; ц – СЕМ слика након ултразвучног млевења током 4 х; д – СЕМ слика након ултразвучног млевења током 8 х.
извор: Маркуез-Гарциа ет ал. 2015.

Да би се утврдило да ли се смањење величине честица и модификација површине јединствено постижу ултразвучним млевењем, слични експерименти су спроведени користећи високоенергетски куглични млин. Резултати су приказани на слици 3. Очигледно је да су честице од 200–800 нм произведене млевењем куглицом током 48 х (12 пута дуже од ултразвучног млевења). СЕМ показује да су оштре ивице Би₂Те₃-честице легуре остају суштински непромењене након млевења. Ови резултати показују да су глатке ивице јединствене карактеристике ултразвучног глодања. Уштеда времена ултразвучним млевењем (4 х према 48 х кугличног млевења) је такође изузетна.

Расподела величине честица и СЕМ слике Мг2Си пре и после ултразвучног млевења. (а) Расподела честица по величини; (б) СЕМ слика пре ултразвучног млевења; (ц) СЕМ слика након ултразвучног млевења у 50% ПВП-50% ЕтОХ током 2 х.
извор: Маркуез-Гарциа ет ал. 2015.

Маркес-Гарсија и др. (2015) закључују да ултразвучно млевење може деградирати Би₂Те₃ и Мг₂Си прах у мање честице, чије се величине крећу од 40 до 400 нм, што сугерише потенцијалну технику за индустријску производњу наночестица. У поређењу са високоенергетским кугличним млевењем, ултразвучно млевење има две јединствене карактеристике:

1. 1. појава јаза величине честица који раздваја оригиналне честице од оних произведених ултразвучним млевењем; и
2. 2. значајне промене у морфологији површине су очигледне након ултразвучног млевења, што указује на могућност манипулисања површинама честица.

Закључак

Ултразвучно млевење тврђих честица захтева соникацију под притиском да би се створила интензивна кавитација. Соникација под повишеним притиском (тзв. маносонизација) драстично повећава силе смицања и напрезање честица.
Континуирано инлине подешавање ултразвука омогућава веће оптерећење честицама (муљ налик пасти), што побољшава резултате млевења пошто је ултразвучно млевење засновано на судару између честица.
Соникација у систему дискретне рециркулације омогућава да се обезбеди хомоген третман свих честица и стога веома уска дистрибуција величине честица.

Главна предност ултразвучног млевења је та што се технологија може лако проширити за производњу великих количина—комерцијално доступно, моћно индустријско ултразвучно млевење може да издржи количине до 10м³/х.

Предности ултразвучног глодања

• Брзо, штеди време
• Уштеда енергије
• поновљиви резултати
• Без медија за млевење (без перли или перли)
• Ниски трошкови улагања

Ултрасоникатори високих перформанси

Ултразвучно млевење захтева ултразвучну опрему велике снаге. Да би се створиле интензивне кавитационе смичне силе, велике амплитуде и притисак су кључни. Хиелсцхер Ултрасоницс’ индустријски ултразвучни процесори могу да испоруче веома велике амплитуде. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. У комбинацији са Хиелсцхеровим проточним реакторима под притиском, ствара се веома интензивна кавитација тако да се могу превазићи међумолекуларне везе и постижу ефикасни ефекти млевења.
Робусност Хиелсцхерове ултразвучне опреме омогућава 24/7 рад у тешким условима иу захтевним окружењима. Дигитална и даљинска контрола, као и аутоматско снимање података на уграђену СД картицу обезбеђују прецизну обраду, поновљив квалитет и омогућавају стандардизацију процеса.

Предности Хиелсцхер ултразвучних уређаја високих перформанси

• веома велике амплитуде
• високи притисци
• Континуирани инлине процес
• робусна опрема
• Линеар Сцале-уп
• штеди и једноставан за руковање
• Лако се чисти