CONTACT US



Micromilling of uniform nanoparticles for space applications

Micromilling of uniform nanoparticles for space applications

(การบดแบบไมโครมิลล์ของอนุภาคนาโนที่สม่ำเสมอสำหรับการใช้งานในอวกาศ)

ไมโครมิลล์ Fritsch ได้ปรับปรุงความสามารถของห้องปฏิบัติการแห่งหนึ่งของ NASA ในการพัฒนาวัสดุนาโนเซรามิก (ceramic nanoparticulate) ที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับโครงการวิจัยที่มีความต้องการสูง รวมถึงการจัดเก็บพลังงานและการใช้งานอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริค

ห้องปฏิบัติการของเราที่ NASA Marshall Space Flight Center (Huntsville, Alabama) พัฒนาวัสดุและกระบวนการ สำหรับภารกิจสำรวจของ NASA และสถานีอวกาศนานาชาติ (international space station) สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการพัฒนาและเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติของวัสดุสำหรับการใช้งานที่มีความต้องการสูงในด้านการจัดเก็บพลังงาน การผลิตไฟฟ้า และการใช้งานขั้นสูงอื่น ๆ

ความท้าทายในการพัฒนาวัสดุและกระบวนการใหม่ ๆ ต้องใช้อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการที่มีความสามารถขั้น advance ตัวอย่างเช่น ความสามารถในการผลิตอนุภาคนาโนที่สม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการพัฒนา ultracapacitors ขั้น advance สำหรับการกักเก็บพลังงาน, อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกที่มีคุณภาพ, และวัสดุสำหรับระบบขับเคลื่อนด้วยความร้อนนิวเคลียร์ของ NASA

ผงเซรามิกที่ได้รับจากซัพพลายเออร์ (supplier)โดยทั่วไปจะมีขนาดอนุภาคค่อนข้างแตกต่างกันมากและไม่สอดคล้องกันเพียงพอสำหรับการวิจัยวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงของเรา เราได้ตรวจสอบและทดสอบเครื่องจักรและกระบวนการบดต่าง ๆ รวมถึง ball mills และ vibratory mills แบบสั่นสะเทือน แม้ว่าเทคนิคเหล่านี้จะช่วยลดขนาดอนุภาค D50 และปรับปรุงการกระจายขนาดอนุภาคได้ แต่ผงที่ได้ก็ยังมีคุณภาพไม่เพียงพอสำหรับการวิจัยที่มีความต้องการของเรา

 

 

เราได้ทำงานร่วมกับกลุ่มผลิตภัณฑ์ไมโครมิลล์ (micromills) Pulversette ของ Fritsch

ในช่วงสองสามปีที่ผ่านมาเพื่อพัฒนาอนุภาคที่มีขนาดเล็กลงและมีความสม่ำเสมอมากขึ้น

เนื่องจากไมโครมิลล์เหล่านี้สามารถให้ผลการบดที่ละเอียดมากในช่วงขนาดอนุภาคนาโนเมตร

(อยู่ในรูปที่ 1) ขนาดmills ใช้ในห้องปฏิบัติมีขนาดที่เล็กกว่าและแข็งมากเพื่อให้ได้พลังงานการ

บดที่ไม่ธรรมดา

 

 

 

เราใช้โถบดทำมาจากสเตนเลสสตีล (stainless steel) ที่บุด้วยเซอร์โคเนีย (zirconia) แม้ว่าโรงบดจะมีให้เลือกในวัสดุและความสามารถอื่นๆ หลายอย่าง ขึ้นอยู่กับวัสดุที่จะบด ไมโครมิลล์ใช้ความเร็วในการหมุนสูงถึง 1,100 รอบต่อนาที และแรงเร่งที่ 95 กรัม เพื่อการใช้พลังงานที่มากขึ้นประมาณ 150% เมื่อเทียบกับ classic planetary mill พลังงานการบดแบบนี้ส่งผลให้เกิดการบดอนุภาคที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้เราได้ผลลัพธ์การเจียรที่ละเอียดกว่ามากภายในเวลาสั้น

แม้ว่าวัสดุสำหรับเจียรจะมีขนาดและวัสดุที่ต่างกัน แต่เราก็ยังใช้วัสดุ ZrO2 ที่แข็งซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5–2.0 mm เราลดเวลาการบดตามขนาดเพราะฉะนั้นผงที่ได้จะมีคุณภาพสูงกว่ามากในแง่ของขนาดอนุภาคที่ลดลงและการกระจายขนาดอนุภาคที่ดีขึ้น ผงเซรามิกคุณภาพสูงเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในการวิจัยได้หลายแนวทาง ซึ่งหลัก ๆมีอยู่สองสามวิธี:

การวิจัย Ultracapacitor

การพัฒนา ultracapacitor ของเรามุ่งเน้นไปที่การปรับคุณสมบัติไดอิเล็กทริกของผงเซรามิก perovskite ให้เหมาะสมสำหรับ ultrahigh permittivity (มีการเก็บพลังงานที่สูง high capacitance) การสูญเสียไดอิเล็กตริก (dielectric) ต่ำ และการชำรุดของไดอิเล็กตริกที่สูง การวัสดุที่เป็นผลลัพธ์นั้นสามารถใช้เป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานโซลิดสเตต (solid-state) เพื่อทดแทนแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมี และสามารถใช้เป็นทริกเกอร์ไฟฟ้าแรงสูง (high voltage triggers) สำหรับระบบขับเคลื่อน

เราได้พัฒนากระบวนการเพื่อเพิ่มคุณสมบัติขอบของวัสดุเหล่านี้เพื่อเก็บประจุ (charge storage) และเพิ่มความหนาแน่นของการเผาผนึกของอุปกรณ์อย่างมีนัยสำคัญ ความสามารถในการไมโครมิลล์อนุภาคเซรามิกให้เป็นอนุภาคนาโนเมตรต่ำ ด้วยการปรับปรุงการกระจายขนาดอนุภาค D10 ถึง D90 และเส้นโค้งการกระจายอนุภาค (รูปที่ 2) ที่สอดคล้องกัน ทำให้เราสามารถปรับกระบวนการเหล่านี้ให้เหมาะสม ส่งผลให้อุปกรณ์อัลตราคาปาซิเตอร์ (ultra-capacitor) มีความหนาแน่นจากการเผาผนึกที่ดี ขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ (รูปที่ 3)

(รูปที่ 2)                                                                           (รูปที่ 3)

 

Thermoelectric research (การวิจัยเทอร์โมอิเล็กทริก)

นอกจากนี้เรายังพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่สามารถใช้สำหรับระบบย่อยการผลิตไฟฟ้าในภารกิจและที่อยู่อาศัยระยะไกล งานวิจัยนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มประสิทธิภาพการเผาผนึกของผงนาโนเซรามิกแบบเจือหลายชนิดเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าและลดการนำความร้อน

ความสามารถของเราในการผลิตผงไมโครมิลล์ที่มีขนาดอนุภาค <50 nm ได้เพิ่มความพยายามในการวิจัยเหล่านี้เพื่อให้เราสามารถตรวจสอบผลกระทบของพื้นที่ผิวขอบเกรนที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก และผลกระทบของวัสดุต่าง ๆ และตัวดัดแปลงสารเจือปนที่ขนาดอนุภาคที่เล็กมากเหล่านี้ รูปที่ 4 แสดงโครงสร้างจุลภาคของอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริก ZnO ที่เจือด้วยซินเตอร์

(รูป 4)