Phay siêu âm bột nano nhiệt điện

• Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phay siêu âm có thể được sử dụng thành công để chế tạo các hạt nano nhiệt điện và có khả năng thao tác các bề mặt của các hạt.
• Các hạt phay siêu âm (ví dụ: Bi₂Te₃-dựa trên hợp kim) cho thấy sự giảm kích thước đáng kể và chế tạo các hạt nano với ít hơn 10μm.
• Hơn nữa, sonication tạo ra những thay đổi đáng kể về hình thái bề mặt của các hạt và cho phép do đó chức năng hóa bề mặt của các hạt vi mô và nano.

Hạt nano nhiệt điện

Vật liệu nhiệt điện chuyển đổi nhiệt năng thành năng lượng điện dựa trên hiệu ứng Seebeck và Peltier. Do đó, có thể biến năng lượng nhiệt khó sử dụng hoặc gần như bị mất một cách hiệu quả thành các ứng dụng hiệu quả. Vì vật liệu nhiệt điện có thể được đưa vào các ứng dụng mới như pin nhiệt sinh học, làm mát nhiệt điện trạng thái rắn, thiết bị quang điện tử, không gian và sản xuất điện ô tô, nghiên cứu và công nghiệp đang tìm kiếm các kỹ thuật nhanh chóng và dễ dàng để sản xuất các hạt nano nhiệt điện thân thiện với môi trường, kinh tế và ổn định nhiệt độ cao. Phay siêu âm cũng như tổng hợp từ dưới lên (kết tinh sono) là những con đường đầy hứa hẹn để sản xuất hàng loạt vật liệu nano nhiệt điện nhanh chóng.

Thiết bị phay siêu âm

Để giảm kích thước hạt của bismuth telluride (Bi₂Te₃), magiê silicide (Mg₂Si) và bột silicon (Si), hệ thống siêu âm cường độ cao UIP1000hdt (1kW, 20kHz) được sử dụng trong thiết lập cốc mở. Đối với tất cả các thử nghiệm, biên độ được đặt thành 140μm. Bình mẫu được làm mát trong bồn nước, nhiệt độ được kiểm soát bằng cặp nhiệt. Do sonication trong một bình mở, làm mát đã được sử dụng để ngăn chặn sự bay hơi của các dung dịch phay (ví dụ, ethanol, butanol, hoặc nước).

(a) Sơ đồ thiết lập thí nghiệm. (b) Thiết bị phay siêu âm. nguồn: Marquez-Garcia et al. 2015.

Phay siêu âm chỉ trong 4h Bi₂Te₃Hợp kim đã mang lại một lượng đáng kể các hạt nano với kích thước từ 150 đến 400 nm. Bên cạnh việc giảm kích thước xuống phạm vi nano, sonication cũng dẫn đến sự thay đổi hình thái bề mặt. Các hình ảnh SEM trong hình dưới đây b, c và d hiển thị rằng các cạnh sắc nét của các hạt trước khi phay siêu âm đã trở nên mịn màng và tròn sau khi phay siêu âm.

Phân bố kích thước hạt và hình ảnh SEM của hợp kim dựa trên Bi2Te3 trước và sau khi phay siêu âm. một – Phân bố kích thước hạt; b – Hình ảnh SEM trước khi phay siêu âm; c – Hình ảnh SEM sau khi phay siêu âm trong 4 giờ; d – Hình ảnh SEM sau khi phay siêu âm trong 8 giờ.
nguồn: Marquez-Garcia et al. 2015.

Để xác định xem việc giảm kích thước hạt và sửa đổi bề mặt có đạt được duy nhất bằng cách phay siêu âm hay không, các thí nghiệm tương tự đã được thực hiện bằng cách sử dụng máy nghiền bi năng lượng cao. Kết quả được hiển thị trong Hình 3. Rõ ràng là các hạt 200–800nm được tạo ra bằng cách phay bi trong 48 giờ (dài hơn 12 lần so với phay siêu âm). SEM cho thấy các cạnh sắc nét của Bi₂Te₃Các hạt hợp kim về cơ bản vẫn không thay đổi sau khi phay. Những kết quả này chỉ ra rằng các cạnh mịn là đặc điểm độc đáo của phay siêu âm. Tiết kiệm thời gian bằng cách phay siêu âm (phay bóng 4 giờ so với 48 giờ) cũng rất đáng chú ý.

Phân bố kích thước hạt và hình ảnh SEM của Mg2Si trước và sau khi phay siêu âm. (a) Phân bố kích thước hạt; (b) Hình ảnh SEM trước khi phay siêu âm; (c) Hình ảnh SEM sau khi phay siêu âm trong 50% PVP-50% EtOH trong 2 giờ.
nguồn: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) kết luận rằng phay siêu âm có thể làm suy giảm Bi₂Te₃ và Mg₂Si bột thành các hạt nhỏ hơn, kích thước dao động từ 40 đến 400nm, cho thấy một kỹ thuật tiềm năng để sản xuất công nghiệp các hạt nano. So với phay bóng năng lượng cao, phay siêu âm có hai đặc điểm độc đáo:

1. 1. sự xuất hiện của một khoảng cách kích thước hạt tách các hạt ban đầu từ các hạt được sản xuất bằng cách phay siêu âm; và
2. 2. Những thay đổi đáng kể về hình thái bề mặt là rõ ràng sau khi phay siêu âm, cho thấy khả năng thao tác bề mặt của các hạt.

Kết thúc

Phay siêu âm của các hạt cứng hơn đòi hỏi sonication dưới áp lực để tạo ra cavitation dữ dội. Sonication dưới áp suất cao (được gọi là manosonication) làm tăng lực cắt và ứng suất cho các hạt đáng kể.
Một thiết lập sonication nội tuyến liên tục cho phép tải hạt cao hơn (bùn giống như dán), giúp cải thiện kết quả phay vì phay siêu âm dựa trên va chạm giữa các hạt.
Sonication trong một thiết lập tuần hoàn rời rạc cho phép đảm bảo xử lý đồng nhất tất cả các hạt và do đó phân bố kích thước hạt rất hẹp.

Một lợi thế lớn của phay siêu âm là công nghệ có thể dễ dàng mở rộng quy mô để sản xuất số lượng lớn có sẵn trên thị trường, phay siêu âm công nghiệp mạnh mẽ có thể xử lý số lượng lên đến 10m³/h.

Ưu điểm của siêu âm Milling

• Nhanh chóng, tiết kiệm thời gian
• Tiết kiệm năng lượng
• Kết quả tái tạo
• Không có phương tiện phay (không có hạt hoặc ngọc trai)
• Chi phí đầu tư thấp

Ultrasonicators hiệu suất cao

Phay siêu âm đòi hỏi thiết bị siêu âm công suất cao. Để tạo ra lực cắt xâm thực mạnh, biên độ và áp suất cao là rất quan trọng. Hielscher Siêu âm’ Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp có thể cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Kết hợp với các lò phản ứng dòng chảy có áp suất của Hielscher, sự xâm thực rất mạnh được tạo ra để có thể khắc phục các liên kết liên phân tử và đạt được hiệu quả phay.
Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm của Hielscher cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe. Điều khiển kỹ thuật số và từ xa cũng như ghi dữ liệu tự động vào thẻ SD tích hợp đảm bảo xử lý chính xác, chất lượng tái tạo và cho phép tiêu chuẩn hóa quy trình.

Ưu điểm của Hielscher Ultrasonicators hiệu suất cao

• biên độ rất cao
• áp lực cao
• Quy trình nội tuyến liên tục
• Thiết bị mạnh mẽ
• Mở rộng quy mô tuyến tính
• Tiết kiệm và dễ vận hành
• Dễ dàng vệ sinh