Termoelektriskie materiāli un to sagatavošanas metodes
Termoelektriskie materiāli ietver ķīmiskus savienojumus un metālu sakausējumus, kas ir vairāk vai mazāk izteikti. termoelektriskās īpašības.
Atkarībā no iegūtā termo-EMF vērtības, no kušanas temperatūras, no mehāniskajām īpašībām, kā arī no elektrovadītspējas, šos materiālus rūpniecībā izmanto trīs mērķiem: siltuma pārvēršanai elektroenerģijā, termoelektriskai dzesēšanai. (siltuma pārnese, laižot elektrisko strāvu) un arī temperatūras mērīšanai (pirometrijā). Lielākā daļa no tiem ir: sulfīdi, karbīdi, oksīdi, fosfīdi, selenīdi un telurīdi.
Tātad termoelektriskajos ledusskapjos viņi izmanto bismuta telurīds... Silīcija karbīds ir vairāk piemērots temperatūras mērīšanai un c termoelektriskie ģeneratori (TEG) Ir konstatēti vairāki materiāli: bismuta telurīds, germānija telurīds, antimona telurīds, svina telurīds, gadolīnija selenīds, antimona selenīds, bismuta selenīds, samārija monosulfīds, magnija silicīds un magnija stannīts.
Šo materiālu derīgās īpašības ir balstītas uz par diviem efektiem — Zēbeku un Peltjē… Zēbeka efekts sastāv no termo-EMF parādīšanās virknē savienotu dažādu vadu galos, kuru kontakti ir dažādās temperatūrās.
Peltjē efekts ir pretējs Zēbeka efektam un sastāv no siltumenerģijas pārnešanas, kad elektriskā strāva iet caur dažādu vadītāju kontaktpunktiem (savienojumiem) no viena vadītāja uz otru.
Zināmā mērā šie efekti ir viens kopš abu termoelektrisko parādību cēlonis ir saistīts ar termiskā līdzsvara traucējumiem nesēja plūsmā.
Tālāk apskatīsim vienu no populārākajiem un pieprasītākajiem termoelektriskajiem materiāliem — bismuta telurīdu.
Ir vispāratzīts, ka materiāli ar darba temperatūras diapazonu zem 300 K tiek klasificēti kā zemas temperatūras termoelektriskie materiāli. Spilgts šāda materiāla piemērs ir vienkārši bismuta telurīds Bi2Te3. Uz tā pamata tiek iegūti daudzi termoelektriski savienojumi ar dažādām īpašībām.
Bismuta telurīdam ir romboedriska kristalogrāfiska struktūra, kas ietver slāņu kopumu — kvintetus — taisnā leņķī pret trešās kārtas simetrijas asi.
Tiek pieņemts, ka Bi-Te ķīmiskā saite ir kovalenta, un Te-Te saite ir Waanderwal. Lai iegūtu noteikta veida vadītspēju (elektronu vai caurumu), izejmateriālā tiek ievadīts bismuta, telūra pārpalikums vai viela tiek leģēta ar piemaisījumiem, piemēram, arsēnu, alvu, antimonu vai svinu (akceptoriem) vai donoriem: CuBr. , Bi2Te3CuI, B, AgI .
Piemaisījumi rada izteikti anizotropisku difūziju, tā ātrums šķelšanās plaknes virzienā sasniedz difūzijas ātrumu šķidrumos.Temperatūras gradienta un elektriskā lauka ietekmē tiek novērota piemaisījumu jonu kustība bismuta telurīdā.
Lai iegūtu monokristālus, tos audzē ar virziena kristalizācijas (Bridžmena) metodi, Czochralski metodi vai zonu kausēšanu. Sakausējumiem, kuru pamatā ir bismuta telurīds, ir raksturīga izteikta kristāla augšanas anizotropija: augšanas ātrums šķelšanās plaknē ievērojami pārsniedz augšanas ātrumu virzienā, kas ir perpendikulārs šai plaknei.
Termopāri tiek ražoti ar presēšanas, ekstrūzijas vai nepārtrauktas liešanas palīdzību, savukārt termoelektriskās plēves tradicionāli ražo ar vakuuma uzklāšanu. Bismuta telurīda fāzes diagramma ir parādīta zemāk:
Jo augstāka temperatūra, jo zemāka sakausējuma termoelektriskā vērtība, jo sāk ietekmēt iekšējā vadītspēja.Tāpēc augstā temperatūrā virs 500-600 K šo krāšņumu nevar izmantot tikai tāpēc, ka aizliegtā zona ir maza.
Lai Z termoelektriskā vērtība būtu maksimāla arī pie ne īpaši augstām temperatūrām, sakausēšana tiek veikta maksimāli labi, lai piemaisījumu koncentrācija būtu mazāka, kas nodrošinātu zemāku elektrovadītspēju.
Lai novērstu koncentrācijas pārdzesēšanu (termoelektriskās vērtības samazināšanos) monokristāla audzēšanas procesā, tiek izmantoti ievērojami temperatūras gradienti (līdz 250 K / cm) un zems kristāla augšanas ātrums - aptuveni 0,07 mm / min.
Bismuts un bismuta sakausējumi ar antimonu kristalizācijas laikā rada romboedrisku režģi, kas pieder pie diedrāla skaleneedra.Bismuta vienības šūna ir veidota kā romboedrs ar malām 4,74 angstremus garas.
Atomi šādā režģī ir izkārtoti dubultslāņos, katram atomam ir trīs kaimiņi dubultā slānī un trīs blakus slānī. Saites ir kovalentas divslāņa ietvaros, un van der Vāls saista starp slāņiem, kā rezultātā rodas iegūto materiālu fizikālo īpašību krasa anizotropija.
Bismuta monokristālus viegli audzē ar zonālo pārkristalizāciju, Bridžmena un Čečraļska metodēm. Antimons ar bismutu nodrošina nepārtrauktu cieto šķīdumu sēriju.
Bismuta-antimona sakausējuma monokristāls tiek audzēts, ņemot vērā tehnoloģiskās īpatnības, ko rada būtiska atšķirība starp solidus un liquidus līnijām. Tādējādi kausējums var radīt mozaīkas struktūru, pateicoties pārejai uz pārdzesētu stāvokli kristalizācijas frontē.
Lai novērstu hipotermiju, viņi izmanto lielu temperatūras gradientu - apmēram 20 K / cm un zemu augšanas ātrumu - ne vairāk kā 0,3 mm / h.
Bismuta strāvas nesēju spektra īpatnība ir tāda, ka vadītspējas un valences joslas ir diezgan tuvas. Turklāt spektra parametru izmaiņas ietekmē: spiediens, magnētiskais lauks, piemaisījumi, temperatūras izmaiņas un paša sakausējuma sastāvs.
Tādā veidā var kontrolēt materiālā esošo strāvas nesēju spektra parametrus, kas dod iespēju iegūt materiālu ar optimālām īpašībām un maksimālo termoelektrisko vērtību.
Skatīt arī:Peltjē elements - kā tas darbojas un kā pārbaudīt un savienot