Ультразвукове наноструктурування для виробництва пористих металів

Сонохімія є дуже ефективним інструментом для розробки та функціонування наноматеріалів. У металургії ультразвукове опромінення сприяє утворенню пористих металів. Дослідницька група д-ра Дарії Андрєєвої розробила ефективну та економічно ефективну процедуру з ультразвуком для виробництва мезопористих металів.

Пористисті метали привертають високий інтерес до різноманітних технологічних гілок через їх видатні характеристики, такі як їх корозійна стійкість, механічна міцність та здатність витримувати надзвичайно високі температури. Ці властивості ґрунтуються на наноструктурних поверхнях з порами, що вимірюють лише кілька нанометрів у діаметрі. Мезопористий матеріал характеризується розміром пози від 2 до 50 нм, тоді як мікропористий матеріал має розмір пор менше 2 нм. Міжнародна дослідницька група, у тому числі д-р Дарія Андрєєва з Університету Байройта (кафедра фізичної хімії II) успішно розробила процедуру ультразвукової обробки важких та економічно вигідних для розробки та виробництва таких металевих конструкцій.

У цьому процесі метали обробляють у водному розчині таким чином, що еволюціонують порожнини на декілька нанометрів, в точно визначених пробілах. Для цих індивідуальних конструкцій вже існує широкий спектр інноваційних застосувань, включаючи очищення повітря, зберігання енергії або медичні технології. Особливо перспективним є використання пористих металів у нанокомпозитах. Це новий клас композитних матеріалів, в якому дуже тонка матрична структура заповнена частинками розміром до 20 нанометрів.

UIP1000hd - потужний ультразвуковий пристрій, який використовується для проектування матеріалів, наноструктуризації та модифікації частинок. (Натисніть, щоб збільшити!)

Доктор Д. Андрєєва демонструє процедуру ультразвукової обробки твердих частинок у водній суспензії за допомогою UIP1000hd ультразвуковий пристрій (20 кГц, 1000 Вт). Картина Ч. Wißler

Нова технологія використовує процес утворення пузирчастого ультразвукового генератора, який називається кавітацією в фізиці (отриманий з лат. “кавус” = “порожній”) У морській справі цей процес побоюється через великий збиток, який він може спричинити для транспортування гвинтів і турбін. Бо при дуже високих швидкостях обертання під воду утворюються парові бульбашки. Після короткого періоду при надзвичайно високому тиску пухири руйнуються всередину, деформуючи металеві поверхні. Процес кавітація може також генеруватися за допомогою ультразвуку. Ультразвук складається з компресійних хвиль з частотами вище звукового діапазону (20 кГц) і генерує вакуумні бульбашки у воді та водних розчинах. Температура декількох тисяч градусів Цельсія та надзвичайно високого тиску до 1000 бар виникає, коли ці бульбашки розмиваються.

Ультразвуковий пристрій UIP1000hd був використаний для наноструктуризації високопористих металів. (Натисніть, щоб збільшити!)

Схематична подання ефектів акустичної кавітації на модифікацію частинок металу.
Картина Др. Андрєєва

Наведена схема показує ефекти акустичної кавітації на модифікацію частинок металу. Метали з низькою температурою плавлення (МП) як цинку (Zn) повністю окислені; метали з високою температурою плавлення, такі як нікель (Ni) і титан (Ti), виявляють модифікацію поверхні при ультразвукової обробці. Алюміній (Al) і магній (Mg) утворюють мезопорозні структури. Нобелівські метали стійкі до ультразвукового опромінення завдяки їх стійкості до окислення. Точки плавлення металів вказані в градусах Кельвіна (К).

Точний контроль над цим процесом може призвести до цільової наноструктуризації металів, суспендованих у водному розчині, з урахуванням певних фізико-хімічних характеристик металів. Якщо метали реагують різним чином під впливом такої ультразвукової обробки, як показала доктор Дарія Андрєєва разом із колегами у Голмі, Берліні та Мінську. У металах з високою реактивністю, такими як цинк, алюміній та магній, поступово утворюється матрична структура, стабілізується оксидним покриттям. Це призводить до пористих металів, які, наприклад, можуть бути додатково оброблені в композитних матеріалах. Однак благородні метали, такі як золото, платина, срібло та паладій, поводяться по-різному. Через низьку тенденцію їх окиснення вони протистоять ультразвуковій обробці та зберігають свої вихідні структури та властивості.

За допомогою ультразвукової обробки може бути сформоване поліелектролітне покриття, яке захищає від корозії. (Натисніть, щоб збільшити!)

Ультразвуковий захист алюмінієвих сплавів від корозії. [© Skorb et al. 2011 р.]

На малюнку вище показано, що ультразвук також може використовуватися для захисту алюмінієвих сплавів від корозії. Зліва: фото алюмінієвого сплаву в сильно корозійному розчині, нижче електромікроскопічного зображення поверхні, на якому - за рахунок ультразвукової обробки - утворилося поліелекотітне покриття. Це покриття забезпечує захист від корозії протягом 21 дня. Праворуч: той же алюмінієвий сплав, який не піддавався обробці ультразвуком. Поверхня повністю корозійна.

Той факт, що різні метали реагують різко різними способами ультразвукової обробки, можуть бути використані для інновацій у матеріалознавстві. Сплави можуть бути перетворені таким чином на нанокомпозити, в яких частинки більш стійкого матеріалу вкриті пористою матрицею менш стабільного металу. Таким чином, дуже великі площі поверхні утворюються в дуже обмеженому просторі, що дозволяє використовувати ці нанокомпозити як каталізатори. Вони забезпечують особливо швидкі та ефективні хімічні реакції.

Разом з доктором Дарією Андрєєвою, результати досліджень сприяли дослідники проф. Д-р Андреас Фері, доктор Ніколя Паос-Перес та Джана Шеферганс, також відділення фізичної хімії II. З їхніми колегами в Інституті колоїдів та інтерфейсів ім. Макса Планка в Гольмі, "Гельмгольц-Центрум Берлін на матеріалі та енергії" та Білоруським державним університетом в Мінську вони опублікували свої останні результати в Інтернеті в журналі “Нанорозмірний”.

Hielscher's ultrasonicator UIP1000hd was successfully used for the formation of mesoporous metals. (Click to enlarge!)

Ультразвуковий процесор UIP1000hd для наноструктурування металів

Зв'яжіться з нами / Запитуйте додаткову інформацію

Розкажіть нам про ваших вимогах до обробки. Ми будемо рекомендувати найбільш підходящі налаштування та параметри обробки для вашого проекту.





Будь ласка, зверніть увагу на наші Політика конфіденційності.


Довідка:

  • Скорб, Катерина Володимирівна; Фікс, Дімітрі; Щукін, Дмитро Г .; Мехвальд, Гельмут; Свиридов Дмитро Володимирович; Моуса, Рамі; Вандерка, Неля; Шеферганс, Яна; Пазос-Перес, Ніколас; Фері, Андреас; Андрєєва, Дарія В. (2011): Сонохімічне утворення металевих губок. Нанорозмірний – Попередня перша 3/3, 2011. 985-993.
  • Wißler, Christian (2011): Високоточна наноструктурація за допомогою ультразвуку: нова процедура отримання пористих металів. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.

Для отримання подальшої наукової інформації, будь-ласка, звертайтесь: доктор Дарія Андрєєва, факультет фізичної хімії II Університет Байройт, 95440 Байройт, Німеччина – Телефон: +49 (0) 921 / 55-2750
email: daria.andreeva@uni-bayreuth.de



Факти варті знати

Гомогенізатори ультразвукових тканин часто називаються звукоізоляторами зонду, звуковими лаймерами, ультразвуковими руйнівниками, ультразвуковими шліфувальними машинами, соногруппою, синусонікою, звуковим дисемб'юстатором, розсіювачем клітин, ультразвуковим розсіювачем або розчинником. Різні умови обумовлені різними додатками, які можуть бути виконані при обробці ультразвуком.