Ультразвукове подрібнення термоелектричних нано-порошків

• Дослідження показали, що ультразвукове фрезерування може успішно використовуватися для виготовлення термоелектричних наночастинок і має потенціал для маніпулювання поверхнями частинок.
• Ультразвуково подрібнені частинки (наприклад, Bi₂Те₃-на основі сплаву) показав значне зменшення розмірів і виготовив нано-частинки з розміром менше 10 мкм.
• Крім того, ультразвук призводить до значних змін морфології поверхні частинок і дозволяє тим самим функціоналізувати поверхню мікро- та наночастинок.

термоелектричні наночастинки

Термоелектричні матеріали перетворюють теплову енергію в електричну на основі ефекту Зеєбека і Пельтьє. Таким чином, стає можливим ефективно перетворювати важко використану або майже втрачену теплову енергію на продуктивні застосування. Оскільки термоелектричні матеріали можуть бути включені в нові програми, такі як біотермічні батареї, твердотільне термоелектричне охолодження, оптоелектронні пристрої, космос і виробництво автомобільної енергії, дослідники та промисловість шукають легкі та швидкі методи виробництва екологічно чистих, економічних та стабільних термоелектричних наночастинок. ультразвукове фрезерування а також синтез «знизу-вгору» (Соно-кристалізація) є перспективними шляхами швидкого масового виробництва термоелектричних наноматеріалів.

Ультразвукове фрезерне обладнання

Для зменшення розміру частинок телуриду вісмуту (Bi₂Те₃), силікид магнію (Mg₂Si) і кремнієвий (Si) порошок, високоінтенсивна ультразвукова система UIP1000HDT (1 кВт, 20 кГц) використовувався у відкритій склянці. Для всіх випробувань амплітуда була встановлена на рівні 140 мкм. Посудина для зразка охолоджується на водяній бані, температура контролюється термопарою. Завдяки ультразвуковому звуку у відкритій посудині охолодження використовувалося для запобігання випаровуванню помелних розчинів (наприклад, етанолу, бутанолу або води).

а) принципова схема експериментальної установки. (b) Ультразвуковий фрезерний апарат. джерело: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ультразвукове фрезерування всього за 4 години Bi₂Те₃-сплав вже дав значну кількість наночастинок розміром від 150 до 400 нм. Окрім зменшення розміру до нанодіапазону, ультразвукове дослідження також призвело до зміни морфології поверхні. Зображення SEM на малюнку нижче b, c і d показують, що гострі краї частинок до ультразвукового фрезерування стали гладкими і круглими після ультразвукового фрезерування.

Розподіл частинок за розміром і SEM зображення сплаву на основі Bi2Te3 до і після ультразвукового фрезерування. a – Гранулометричний склад; b – SEM-зображення перед ультразвуковим фрезеруванням; c – SEM зображення після ультразвукового фрезерування протягом 4 год; d – SEM зображення після ультразвукового фрезерування протягом 8 год.
джерело: Marquez-Garcia et al. 2015.

Щоб визначити, чи є зменшення розміру частинок і модифікація поверхні унікальним чином досягнуті за допомогою ультразвукового фрезерування, були проведені аналогічні експерименти з використанням високоенергетичного кульового млина. Результати наведені на рис.3. Очевидно, що частинки розміром 200–800 нм утворювалися шляхом кульового фрезерування протягом 48 год (у 12 разів довше, ніж при ультразвуковому фрезеруванні). СЕМ показує, що гострі кути Бі₂Те₃-Частинки сплаву залишаються практично незмінними після фрезерування. Ці результати свідчать про те, що гладкі краї є унікальними характеристиками ультразвукового фрезерування. Економія часу завдяки ультразвуковому фрезеруванню (4 год проти 48 год кульового фрезерування) також чудова.

Розподіл частинок за розміром і SEM зображення Mg2Si до і після ультразвукового фрезерування. а) розподіл частинок за розмірами; (b) зображення SEM перед ультразвуковим фрезеруванням; (c) SEM-зображення після ультразвукового фрезерування в 50% PVP–50% EtOH протягом 2 год.
джерело: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) роблять висновок, що ультразвукове фрезерування може погіршити Bi₂Те₃ і Mg₂Si порошок на більш дрібні частинки, розміри яких коливаються від 40 до 400 нм, що свідчить про потенційну техніку промислового виробництва наночастинок. У порівнянні з високоенергетичним кульковим фрезеруванням, ультразвукове фрезерування має дві унікальні характеристики:

1. 1. виникнення щілини за розміром частинок, що відокремлює вихідні частинки від тих, що утворюються ультразвуковим фрезеруванням; і
2. 2. Після ультразвукового фрезерування виявляються істотні зміни в морфології поверхні, що вказує на можливість маніпулювання поверхнями частинок.

Висновок

Ультразвукове подрібнення більш твердих частинок вимагає ультразвукового устрою під тиском для створення інтенсивної кавітації. Звуковий звук при підвищеному тиску (так звана маносоніка) різко збільшує сили зсуву і напругу для частинок.
Безперервна вбудована звукова установка дозволяє отримати більш високе навантаження на частинки (пастоподібна суспензія), що покращує результати фрезерування, оскільки ультразвукове фрезерування засноване на зіткненні між частинками.
Ультразвук в установці дискретної рециркуляції дозволяє забезпечити однорідну обробку всіх частинок і, отже, дуже вузький розподіл частинок за розмірами.

Основна перевага ультразвукового фрезерування полягає в тому, що технологію можна легко масштабувати для виробництва великих кількостей — комерційно доступне, потужне промислове ультразвукове фрезерування може обробляти кількість до 10 м³/год.

Переваги ультразвукового фрезерування

• Швидкість, економія часу
• Енергозбереження
• Відтворювані результати
• Без фрезерних матеріалів (без бісеру та перлів)
• Низькі інвестиційні витрати

Високоефективні ультразвукові апарати

Для ультразвукового фрезерування потрібне ультразвукове обладнання високої потужності. Для створення інтенсивних кавітаційних сил зсуву вирішальне значення мають високі амплітуди та тиск. Ультразвук Hielscher’ Промислові ультразвукові процесори можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. У поєднанні з реакторами Hielscher з потоком під тиском створюється дуже інтенсивна кавітація, що дозволяє подолати міжмолекулярні зв'язки та досягти ефективного ефекту подрібнення.
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах. Цифрове та дистанційне керування, а також автоматичний запис даних на вбудовану SD-карту забезпечують точну обробку, відтворювану якість і дозволяють стандартизувати процес.

Переваги високопродуктивних ультразвукових апаратів Hielscher

• дуже високі амплітуди
• високий тиск
• Безперервний вбудований процес
• Надійне обладнання
• Лінійне масштабування
• Економія і простота в експлуатації
• Легко чистити