การกัดอัลตราโซนิกของผงนาโนเทอร์โมอิเล็กทริก

• การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการกัดอัลตราโซนิกสามารถนํามาใช้ในการผลิตอนุภาคนาโนเทอร์โมอิเล็กทริกได้สําเร็จและมีศักยภาพในการจัดการพื้นผิวของอนุภาค
• อนุภาคที่ผ่านการบดด้วยอัลตราโซนิก (เช่น Bi₂ที₃โลหะผสมที่ใช้) แสดงให้เห็นถึงการลดขนาดอย่างมีนัยสําคัญและอนุภาคนาโนที่ประดิษฐ์ขึ้นโดยมีขนาดน้อยกว่า 10μm
• นอกจากนี้การ sonication ยังก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสําคัญของสัณฐานวิทยาพื้นผิวของอนุภาคและช่วยให้สามารถทํางานพื้นผิวของอนุภาคขนาดเล็กและนาโนได้

อนุภาคนาโนเทอร์โมอิเล็กทริก

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าตามเอฟเฟกต์ Seebeck และ Peltier ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนพลังงานความร้อนที่แทบจะใช้งานไม่ได้หรือเกือบสูญเสียไปอย่างมีประสิทธิภาพในการใช้งานที่มีประสิทธิผล เนื่องจากวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถรวมอยู่ในการใช้งานใหม่ๆ เช่น แบตเตอรี่ความร้อนชีวภาพ การระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกโซลิดสเตต อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ อวกาศ และการผลิตไฟฟ้าในยานยนต์ การวิจัยและอุตสาหกรรมจึงค้นหาเทคนิคที่ง่ายและรวดเร็วในการผลิตอนุภาคนาโนเทอร์โมอิเล็กทริกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม การกัดอัลตราโซนิก เช่นเดียวกับการสังเคราะห์จากล่างขึ้นบน (การตกผลึกโซโน) เป็นเส้นทางที่มีแนวโน้มในการผลิตวัสดุนาโนเทอร์โมอิเล็กทริกจํานวนมากอย่างรวดเร็ว

อุปกรณ์กัดอัลตราโซนิก

สําหรับการลดขนาดอนุภาคของบิสมัทเทลลูไรด์ (Bi₂ที₃), แมกนีเซียมซิลิไซด์ (มก.₂Si) และผงซิลิกอน (Si) ระบบอัลตราโซนิกความเข้มสูง ยูไอพี 1000hdT (1kW, 20kHz) ถูกนํามาใช้ในการตั้งค่าบีกเกอร์แบบเปิด สําหรับการทดลองทั้งหมดแอมพลิจูดถูกตั้งค่าไว้ที่ 140μm ภาชนะตัวอย่างถูกทําให้เย็นลงในอ่างน้ําอุณหภูมิจะถูกควบคุมโดยเทอร์โมคู่ เนื่องจากการ sonication ในภาชนะเปิดจึงใช้การระบายความร้อนเพื่อป้องกันการระเหยของสารละลายการกัด (เช่นเอทานอลบิวทานอลหรือน้ํา)

(a) แผนผังของการตั้งค่าการทดลอง (b) อุปกรณ์กัดอัลตราโซนิก ที่มา: Marquez-Garcia et al. 2015.

การกัดอัลตราโซนิกเพียง 4 ชั่วโมงของ Bi₂ที₃- โลหะผสมให้ผลผลิตอนุภาคนาโนจํานวนมากที่มีขนาดระหว่าง 150 ถึง 400 นาโนเมตร นอกเหนือจากการลดขนาดลงในช่วงนาโนแล้ว sonication ยังส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสัณฐานวิทยาของพื้นผิวอีกด้วย ภาพ SEM ในรูปด้านล่าง b, c และ d แสดงว่าขอบคมของอนุภาคก่อนการกัดอัลตราโซนิกจะเรียบและกลมหลังจากการกัดอัลตราโซนิก

การกระจายขนาดอนุภาคและภาพ SEM ของโลหะผสมที่ใช้ Bi2Te3 ก่อนและหลังการกัดอัลตราโซนิก a – การกระจายขนาดอนุภาค b – ภาพ SEM ก่อนการกัดอัลตราโซนิก c – ภาพ SEM หลังจากกัดอัลตราโซนิกเป็นเวลา 4 ชั่วโมง d – ภาพ SEM หลังจากการกัดอัลตราโซนิกเป็นเวลา 8 ชั่วโมง
ที่มา: Marquez-Garcia et al. 2015.

เพื่อตรวจสอบว่าการลดขนาดอนุภาคและการปรับเปลี่ยนพื้นผิวนั้นทําได้โดยการกัดอัลตราโซนิกหรือไม่การทดลองที่คล้ายกันได้ดําเนินการโดยใช้โรงสีลูกพลังงานสูง ผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 3 เห็นได้ชัดว่าอนุภาค 200–800 นาโนเมตรถูกผลิตโดยการกัดลูกเป็นเวลา 48 ชั่วโมง (นานกว่าการกัดอัลตราโซนิก 12 เท่า) SEM แสดงให้เห็นว่าขอบคมของ Bi₂ที₃- อนุภาคโลหะผสมยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากการกัด ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าขอบเรียบเป็นลักษณะเฉพาะของการกัดอัลตราโซนิก การประหยัดเวลาโดยการกัดอัลตราโซนิก (4 ชั่วโมงกับการกัดลูก 48 ชั่วโมง) ก็น่าทึ่งเช่นกัน

การกระจายขนาดอนุภาคและภาพ SEM ของ Mg2Si ก่อนและหลังการกัดอัลตราโซนิก (ก) การกระจายขนาดอนุภาค (b) ภาพ SEM ก่อนการกัดอัลตราโซนิก (c) ภาพ SEM หลังจากการกัดอัลตราโซนิกใน 50% PVP–50% EtOH เป็นเวลา 2 ชั่วโมง
ที่มา: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) สรุปว่าการกัดอัลตราโซนิกสามารถย่อยสลาย Bi ได้₂ที₃ และ Mg₂ผง Si เป็นอนุภาคขนาดเล็ก ซึ่งมีขนาดตั้งแต่ 40 ถึง 400 นาโนเมตร ซึ่งบ่งชี้ถึงเทคนิคที่เป็นไปได้สําหรับการผลิตอนุภาคนาโนในอุตสาหกรรม เมื่อเทียบกับการกัดลูกด้วยพลังงานสูงการกัดอัลตราโซนิกมีลักษณะเฉพาะสองประการ:

1. 1. การเกิดขึ้นของช่องว่างขนาดอนุภาคที่แยกอนุภาคเดิมออกจากอนุภาคที่เกิดจากการกัดอัลตราโซนิก และ
2. 2. การเปลี่ยนแปลงที่สําคัญในสัณฐานวิทยาพื้นผิวจะเห็นได้ชัดหลังจากการกัดอัลตราโซนิกซึ่งบ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ในการจัดการพื้นผิวของอนุภาค

บทสรุป

การกัดอัลตราโซนิกของอนุภาคที่แข็งกว่าต้องใช้ sonication ภายใต้ความกดดันเพื่อสร้างโพรงอากาศที่รุนแรง Sonication ภายใต้ความดันสูง (ที่เรียกว่า manosonication) จะเพิ่มแรงเฉือนและความเครียดต่ออนุภาคอย่างมาก
การตั้งค่า sonication แบบอินไลน์แบบต่อเนื่องช่วยให้สามารถโหลดอนุภาคที่สูงขึ้น (สารละลายคล้ายแป้ง) ซึ่งช่วยเพิ่มผลการกัดเนื่องจากการกัดอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับการชนกันระหว่างอนุภาค
Sonication ในการตั้งค่าการหมุนเวียนแบบไม่ต่อเนื่องช่วยให้มั่นใจได้ถึงการรักษาที่เป็นเนื้อเดียวกันของอนุภาคทั้งหมดและดังนั้นการกระจายขนาดอนุภาคที่แคบมาก

ข้อได้เปรียบที่สําคัญของการกัดอัลตราโซนิกคือเทคโนโลยีสามารถขยายขนาดสําหรับการผลิตในปริมาณมากการกัดอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพในเชิงพาณิชย์สามารถรองรับปริมาณได้ถึง 10 เมตร³/ชม.

ข้อดีของการกัดอัลตราโซนิก

• รวดเร็วและประหยัดเวลา
• การประหยัดพลังงาน
• ผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้
• ไม่มีสื่อการกัด (ไม่มีลูกปัดหรือไข่มุก)
• ต้นทุนการลงทุนต่ํา

เครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูง

การกัดอัลตราโซนิกต้องใช้อุปกรณ์อัลตราโซนิกกําลังสูง ในการสร้างแรงเฉือนโพรงอากาศที่รุนแรงแอมพลิจูดและความดันสูงเป็นสิ่งสําคัญ Hielscher อัลตราโซนิกส์’ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมสามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมาก แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถทํางานต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์การไหลแบบแรงดันของ Hielscher จะเกิดโพรงอากาศที่รุนแรงมากเพื่อให้สามารถเอาชนะพันธะระหว่างโมเลกุลและบรรลุผลการกัดที่มีประสิทธิภาพ
ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้สามารถทํางานได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันในงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ การควบคุมแบบดิจิตอลและระยะไกลตลอดจนการบันทึกข้อมูลอัตโนมัติลงในการ์ด SD ในตัวช่วยให้มั่นใจได้ถึงการประมวลผลที่แม่นยําคุณภาพที่ทําซ้ําได้และช่วยให้สามารถสร้างมาตรฐานกระบวนการได้

ข้อดีของเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงของ Hielscher

• แอมพลิจูดสูงมาก
• แรงดันสูง
• กระบวนการอินไลน์ต่อเนื่อง
• อุปกรณ์ที่แข็งแกร่ง
• การขยายขนาดเชิงเส้น
• ประหยัดและใช้งานง่าย
• ทําความสะอาดง่าย