Ультразвукове подрібнення термоелектричних нанопорошків

• Дослідження показали, що ультразвукове подрібнення можна успішно застосовувати для виготовлення термоелектричних наночастинок і що воно має потенціал для модифікування поверхонь частинок.
• Частинки, подрібнені ультразвуком (наприклад, сплав на основі Bi₂Te₃), продемонстрували значне зменшення розміру з утворенням наночастинок розміром менше 10µm.
• Крім того, ультразвукова обробка спричиняє значні зміни морфології поверхні частинок і завдяки цьому дає змогу функціоналізувати поверхню мікро- та наночастинок.

Термоелектричні наночастинки

Термоелектричні матеріали перетворюють теплову енергію на електричну на основі ефектів Зеєбека та Пельтьє. Завдяки цьому стає можливим ефективно використовувати теплову енергію, яку складно застосувати або яка майже втрачається, для продуктивних цілей. Оскільки термоелектричні матеріали можна використовувати в новітніх застосуваннях, як-от біотеплові батареї, твердотільне термоелектричне охолодження, оптоелектронні пристрої, виробництво електроенергії в космічній та автомобільній галузях, науковці й промисловість шукають прості та швидкі методи отримання екологічно безпечних, економічних і стійких до високих температур термоелектричних наночастинок. Ультразвукове подрібнення, а також синтез «знизу вгору» (ультразвукова кристалізація) є двома перспективними шляхами швидкого масового виробництва термоелектричних наноматеріалів.

Обладнання для ультразвукового подрібнення

Для зменшення розміру частинок порошків телуриду вісмуту (Bi₂Te₃), силіциду магнію (Mg₂Si) та кремнію (Si) використали високоінтенсивну ультразвукову систему UIP1000hdT (1kW, 20kHz) у конфігурації з відкритим лабораторним стаканом. Для всіх випробувань амплітуду встановлювали на рівні 140µm. Посудину зі зразком охолоджують у водяній бані, температуру контролюють термопарою. Оскільки ультразвукову обробку проводили у відкритій посудині, охолодження застосовували для запобігання випаровуванню рідин для подрібнення (наприклад, етанолу, бутанолу або води).

(a) Принципова схема експериментальної установки. (b) Апарат для ультразвукового подрібнення. Джерело: Marquez-Garcia et al. 2015.

Лише 4h ультразвукового подрібнення сплаву Bi₂Te₃ вже дали змогу отримати значну кількість наночастинок розміром від 150 до 400 nm. Окрім зменшення розміру до нанодіапазону, ультразвукова обробка також спричинила зміну морфології поверхні. СЕМ-зображення b, c та d на рисунку нижче показують, що гострі краї частинок до ультразвукового подрібнення стали гладкими й заокругленими після нього.

Розподіл частинок за розміром і СЕМ-зображення сплаву на основі Bi2Te3 до та після ультразвукового подрібнення. a – розподіл частинок за розміром; b – СЕМ-зображення до ультразвукового подрібнення; c – СЕМ-зображення після ультразвукового подрібнення протягом 4 h; d – СЕМ-зображення після ультразвукового подрібнення протягом 8 h.
Джерело: Marquez-Garcia et al. 2015.

Щоб визначити, чи зменшення розміру частинок і модифікація поверхні досягаються виключно ультразвуковим подрібненням, аналогічні експерименти провели з використанням високоенергетичного кульового млина. Результати наведено на рис. 3. Видно, що частинки розміром 200–800 nm було отримано кульовим подрібненням протягом 48 h (у 12 разів довше, ніж ультразвуковим подрібненням). СЕМ показує, що гострі краї частинок сплаву Bi₂Te₃ залишаються практично незмінними після подрібнення. Ці результати свідчать, що гладкі краї є унікальною ознакою ультразвукового подрібнення. Економія часу завдяки ультразвуковому подрібненню (4 h порівняно з 48 h кульового подрібнення) також є значною.

Розподіл частинок за розміром і СЕМ-зображення Mg2Si до та після ультразвукового подрібнення. (a) Розподіл частинок за розміром; (b) СЕМ-зображення до ультразвукового подрібнення; (c) СЕМ-зображення після ультразвукового подрібнення в середовищі 50% PVP–50% EtOH протягом 2 h.
Джерело: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) дійшли висновку, що ультразвукове подрібнення може подрібнювати порошки Bi₂Te₃ та Mg₂Si до дрібніших частинок розміром від 40 до 400 nm, що вказує на потенціал цього методу для промислового виробництва наночастинок. Порівняно з високоенергетичним кульовим подрібненням ультразвукове подрібнення має дві унікальні особливості:

1. 1. виникнення розриву в розподілі частинок за розміром, який відокремлює вихідні частинки від частинок, отриманих ультразвуковим подрібненням; та
2. 2. після ультразвукового подрібнення спостерігаються значні зміни морфології поверхні, що свідчить про можливість модифікування поверхонь частинок.

Висновок

Ультразвукове подрібнення твердіших частинок потребує ультразвукової обробки під тиском для створення інтенсивної кавітації. Ультразвукова обробка за підвищеного тиску (так звана маносонікація) різко збільшує зсувні сили та механічні напруження, що діють на частинки.
Установка для безперервної ультразвукової обробки в потоці дає змогу підвищити вміст частинок (пастоподібна суспензія), що покращує результати подрібнення, оскільки ультразвукове подрібнення ґрунтується на зіткненнях між частинками.
Ультразвукова обробка в дискретній рециркуляційній установці дає змогу забезпечити однорідну обробку всіх частинок і, відповідно, дуже вузький розподіл частинок за розміром.

Важливою перевагою ультразвукового подрібнення є можливість легко масштабувати цю технологію для виробництва великих обсягів – потужне промислове обладнання для ультразвукового подрібнення, доступне на ринку, може обробляти обсяги до 10m³/h.

Переваги ультразвукового подрібнення

• Швидкість, економія часу
• Економія енергії
• Відтворювані результати
• Без подрібнювальних тіл (без кульок або намистин)
• Низькі інвестиційні витрати

Високопродуктивні ультразвукові апарати

Ультразвукове подрібнення потребує ультразвукового обладнання високої потужності. Для створення інтенсивних кавітаційних зсувних сил вирішальне значення мають високі амплітуди й тиск. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні ультразвукові сонотроди, виготовлені на замовлення. У поєднанні з проточними реакторами Hielscher, що допускають роботу під тиском, створюється дуже інтенсивна кавітація, завдяки якій можна долати міжмолекулярні зв’язки та досягати ефективного подрібнення.
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher забезпечує роботу в режимі 24/7 за високих навантажень і в складних умовах. Цифрове та дистанційне керування, а також автоматичний запис даних на вбудовану SD-карту забезпечують точну обробку, відтворювану якість і дають змогу стандартизувати процес.

Переваги високопродуктивних ультразвукових апаратів Hielscher

• дуже високі амплітуди
• високі тиски
• безперервний процес у потоці
• надійне обладнання
• лінійне масштабування
• безпечні та прості в експлуатації
• легко очищуються