Termoelektrik Nano Tozların Ultrasonik Frezelenmesi

• Araştırmalar, ultrasonik frezelemenin termoelektrik nanopartiküllerin imalatı için başarıyla kullanılabileceğini ve partiküllerin yüzeylerini manipüle etme potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir.
• Ultrasonik olarak öğütülmüş parçacıklar (örn.₂Te₃bazlı alaşım) önemli bir boyut küçülmesi gösterdi ve 10μm'den daha az nano parçacıklar üretti.
• Ayrıca, sonikasyon, parçacıkların yüzey morfolojisinde önemli değişiklikler üretir ve böylece mikro ve nano parçacıkların yüzeyini işlevselleştirmeyi sağlar.

termoelektrik nanopartiküller

Termoelektrik malzemeler, Seebeck ve Peltier etkisine dayalı olarak ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Böylece, zor kullanılan veya neredeyse kaybolan termal enerjinin etkin bir şekilde verimli uygulamalara dönüştürülmesi mümkün hale gelir. Termoelektrik malzemeler, biyotermal piller, katı hal termoelektrik soğutma, optoelektronik cihazlar, uzay ve otomotiv enerji üretimi gibi yeni uygulamalara dahil edilebildiğinden, araştırma ve endüstri, çevre dostu, ekonomik ve yüksek sıcaklığa dayanıklı termoelektrik nanopartiküller üretmek için kolay ve hızlı teknikler aramaktadır. ultrasonik frezeleme yanı sıra aşağıdan yukarıya sentez (sono-kristalizasyon) termoelektrik nanomalzemelerin hızlı seri üretimine giden umut verici rotalardır.

Ultrasonik Freze Ekipmanları

Bizmut tellürürün partikül boyutunun küçültülmesi için (Bi₂Te₃), magnezyum silisit (Mg₂Si) ve silikon (Si) tozu, yüksek yoğunluklu ultrasonik sistem UIP1000hdT (1kW, 20kHz) açık bir beher kurulumunda kullanıldı. Tüm denemeler için genlik 140μm olarak ayarlandı. Numune kabı bir su banyosunda soğutulur, sıcaklık termo-kupl tarafından kontrol edilir. Açık bir kapta sonikasyon nedeniyle, öğütme çözeltilerinin (örneğin, etanol, bütanol veya su) buharlaşmasını önlemek için soğutma kullanıldı.

(a) Deney düzeneğinin şematik diyagramı. (b) Ultrasonik freze aparatı. kaynak: Marquez-Garcia ve ark. 2015.

Bi'nin sadece 4 saati için ultrasonik frezeleme₂Te₃-alaşım zaten 150 ila 400 nm arasında boyutlarda önemli miktarda nanopartikül verdi. Nano aralığa boyut küçültmenin yanı sıra, sonikasyon da yüzey morfolojisinde bir değişiklik ile sonuçlandı. Aşağıdaki şekil b, c ve d'deki SEM görüntüleri, ultrasonik frezelemeden önce parçacıkların keskin kenarlarının ultrasonik frezelemeden sonra pürüzsüz ve yuvarlak hale geldiğini göstermektedir.

Ultrasonik frezeleme öncesi ve sonrası Bi2Te3 bazlı alaşımın parçacık boyutu dağılımı ve SEM görüntüleri. a – Parçacık boyutu dağılımı; b – Ultrasonik frezeleme öncesi SEM görüntüsü; c – 4 saat boyunca ultrasonik frezeleme sonrası SEM görüntüsü; d – 8 saat boyunca ultrasonik frezelemeden sonra SEM görüntüsü.
kaynak: Marquez-Garcia ve ark. 2015.

Parçacık boyutu küçültme ve yüzey modifikasyonunun ultrasonik frezeleme ile benzersiz bir şekilde elde edilip edilmediğini belirlemek için, yüksek enerjili bir bilyalı değirmen kullanılarak benzer deneyler yapıldı. Sonuçlar Şekil 3'te gösterilmiştir. 200-800 nm parçacıkların, 48 saat boyunca (ultrasonik frezelemeden 12 kat daha uzun) bilyalı frezeleme ile üretildiği açıktır. SEM, Bi'nin keskin kenarlarının olduğunu gösterir₂Te₃-alaşım parçacıkları, öğütme işleminden sonra esasen değişmeden kalır. Bu sonuçlar, pürüzsüz kenarların ultrasonik frezelemenin benzersiz özellikleri olduğunu göstermektedir. Ultrasonik frezeleme (4 saate karşı 48 saat bilyalı frezeleme) ile zaman tasarrufu da dikkat çekicidir.

Ultrasonik frezeleme öncesi ve sonrası Mg2Si'nin parçacık boyutu dağılımı ve SEM görüntüleri. (a) Parçacık boyutu dağılımı; (b) Ultrasonik frezeleme öncesi SEM görüntüsü; (c) 2 saat boyunca P PVP–P EtOH'de ultrasonik frezeleme sonrası SEM görüntüsü.
kaynak: Marquez-Garcia ve ark. 2015.

Marquez-Garcia ve ark. (2015), ultrasonik frezelemenin Bi'yi bozabileceği sonucuna varmıştır.₂Te₃ ve Mg₂Tozu 40 ila 400 nm arasında değişen daha küçük parçacıklar halinde Si, nanopartiküllerin endüstriyel üretimi için potansiyel bir teknik olduğunu düşündürür. Yüksek enerjili bilyalı frezeleme ile karşılaştırıldığında, ultrasonik frezelemenin iki benzersiz özelliği vardır:

1. 1. Orijinal parçacıkları ultrasonik frezeleme ile üretilenlerden ayıran parçacık boyutunda bir boşluğun oluşması; ve
2. 2. Ultrasonik frezelemeden sonra yüzey morfolojisindeki önemli değişiklikler belirgindir, bu da parçacıkların yüzeylerini manipüle etme olasılığını gösterir.

Son

Daha sert parçacıkların ultrasonik frezelenmesi, yoğun kavitasyon oluşturmak için basınç altında sonikasyon gerektirir. Yüksek basınç altında sonikasyon (manosonication olarak adlandırılır), kesme kuvvetlerini ve parçacıklara olan stresi büyük ölçüde arttırır.
Sürekli bir satır içi sonikasyon kurulumu, ultrasonik frezeleme parçacıklar arası çarpışmaya dayandığından frezeleme sonuçlarını iyileştiren daha yüksek bir parçacık yüküne (macun benzeri bulamaç) izin verir.
Ayrı bir devridaim kurulumunda sonikasyon, tüm parçacıkların homojen bir şekilde işlenmesini ve dolayısıyla çok dar bir parçacık boyutu dağılımının sağlanmasını sağlar.

Ultrasonik frezelemenin önemli bir avantajı, teknolojinin büyük miktarlarda üretim için kolayca ölçeklendirilebilmesidir - ticari olarak temin edilebilen, güçlü endüstriyel ultrasonik frezeleme 10 m'ye kadar olan miktarları işleyebilir³/h olur.

Ultrasonik Frezelemenin Avantajları

• Hızlı, zaman kazandıran
• Enerji tasarrufu
• Tekrarlanabilir sonuçlar
• Frezeleme ortamı yok (boncuk veya inci yok)
• Düşük yatırım maliyeti

Yüksek Performanslı Ultrasonikatörler

Ultrasonik frezeleme, yüksek güçlü ultrasonik ekipman gerektirir. Yoğun kavitasyonel kesme kuvvetleri oluşturmak için yüksek genlikler ve basınç çok önemlidir. Hielscher Ultrasonik’ Endüstriyel ultrasonik işlemciler çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200μm'ye kadar genlikler, 7/24 çalışmada kolayca sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur. Hielscher'ın basınçlandırılabilir akış reaktörleri ile birlikte, moleküller arası bağların üstesinden gelinebilmesi ve verimli öğütme etkilerinin elde edilebilmesi için çok yoğun kavitasyon oluşturulur.
Hielscher'ın ultrasonik ekipmanının sağlamlığı, ağır hizmet ve zorlu ortamlarda 7/24 çalışmaya izin verir. Dijital ve uzaktan kumandanın yanı sıra dahili bir SD karta otomatik veri kaydı, hassas işleme, tekrarlanabilir kalite sağlar ve süreç standardizasyonuna olanak tanır.

Hielscher Yüksek Performanslı Ultrasonicators Avantajları

• çok yüksek genlikler
• yüksek basınçlar
• Sürekli Hat İçi Proses
• Sağlam ekipman
• Doğrusal Ölçek Büyütme
• Tasarruf edin ve kullanımı kolay
• Temizlemesi kolay