Термоелектрични материјали и методе за њихову припрему

Термоелектрични материјали укључују хемијска једињења и легуре метала, који су више или мање изражени. термоелектрична својства.

У зависности од вредности добијене термо-ЕМФ, од тачке топљења, од механичких карактеристика, као и од електричне проводљивости, ови материјали се у индустрији користе у три сврхе: за претварање топлоте у електричну енергију, за термоелектрично хлађење. (пренос топлоте при проласку електричне струје) и такође за мерење температуре (у пирометрији). Већина њих су: сулфиди, карбиди, оксиди, фосфиди, селениди и телуриди.

Дакле, користе се у термоелектричним фрижидерима бизмут телурид... Силицијум карбид је погоднији за мерење температура и ц термоелектрични генератори (ТЕГ) Утврђено је да су корисни бројни материјали: бизмут телурид, германијум телурид, антимон телурид, телурид олова, гадолинијум селенид, антимон селенид, бизмут селенид, самаријум моносулфид, магнезијум силицид и магнезијум станит.

Корисна својства ових материјала заснивају се на на два ефекта — Сеебецк и Пелтиер… Сеебеков ефекат се састоји у појави термо-ЕМФ на крајевима серијски повезаних различитих жица, међу којима су контакти на различитим температурама.

Пелтиеров ефекат је супротан од Сеебецк ефекта и састоји се у преносу топлотне енергије када електрична струја пролази кроз контактне тачке (спојнице) различитих проводника, од једног проводника до другог.

У извесној мери ови ефекти су један од узрок две термоелектричне појаве је повезан са поремећајем топлотне равнотеже у протоку носача.

Даље, погледајмо један од најпопуларнијих и најтраженијих термоелектричних материјала — бизмут телурид.

Опште је прихваћено да се материјали са опсегом радне температуре испод 300 К класификују као нискотемпературни термоелектрични материјали. Упечатљив пример таквог материјала је једноставно бизмут телурид Би2Те3. На његовој основи добијају се многа термоелектрична једињења различитих карактеристика.

Бизмут телурид има ромбоедарску кристалографску структуру која укључује скуп слојева — квинтета — под правим углом у односу на осу симетрије трећег реда.

Претпоставља се да је хемијска веза Би-Те ковалентна, а Те-Те веза је Ваандервал. Да би се добила одређена врста проводљивости (електрон или рупа), у полазни материјал се уноси вишак бизмута, телура или се супстанца легира примесама као што су арсен, калај, антимон или олово (акцептори) или донори: ЦуБр. , Би2Те3ЦуИ, Б, АгИ.

Нечистоће дају високо анизотропну дифузију, њена брзина у правцу равни цепања достиже брзину дифузије у течностима.Под утицајем температурног градијента и електричног поља, примећује се кретање јона нечистоћа у телуриду бизмута.

За добијање монокристала, они се узгајају методом усмерене кристализације (Бридгеман), методом Чохралског или зонским топљењем. Легуре на бази бизмут телурида се одликују израженом анизотропијом раста кристала: брзина раста дуж равни цепања значајно премашује брзину раста у правцу који је окомит на ову раван.

Термопарови се производе пресовањем, екструзијом или континуираним ливењем, док се термоелектрични филмови традиционално производе вакуумским таложењем. Фазни дијаграм за бизмут телурид је приказан у наставку:

Што је температура виша, то је нижа термоелектрична вредност легуре, пошто унутрашња проводљивост почиње да утиче.Због тога на високим температурама, изнад 500-600 К, ова слава се не може користити само због мале ширине забрањене зоне.

Да би термоелектрична вредност З била максимална и при не баш високим температурама, легирање се врши што је могуће боље како би концентрација примеса била мања, што би обезбедило мању електричну проводљивост.

Да би се спречило прехлађење концентрације (смањење термоелектричне вредности) у процесу раста једног кристала, користе се значајни температурни градијенти (до 250 К / цм) и мала брзина раста кристала — око 0,07 мм / мин.

Бизмут и легуре бизмута са антимоном при кристализацији дају ромбоедарску решетку која припада диедралном скаленеедру.Јединична ћелија бизмута је у облику ромбоедра са ивицама дугим 4,74 ангстрома.

Атоми у таквој решетки су распоређени у двоструким слојевима, при чему сваки атом има три суседа у двоструком слоју и три у суседном слоју. Везе су ковалентне унутар двослоја, а ван дер Валсове везе између слојева, што резултира оштром анизотропијом физичких својстава резултујућих материјала.

Монокристали бизмута се лако узгајају зонском рекристализацијом, методама Бриџмана и Чохралског. Антимон са бизмутом даје непрекидан низ чврстих раствора.

Монокристал легуре бизмута и антимона се узгаја узимајући у обзир технолошке карактеристике узроковане значајном разликом између солидус и ликвидус линија. Дакле, талина може дати мозаичну структуру због преласка у суперохлађено стање на фронту кристализације.

Да би спречили хипотермију, прибегавају великом температурном градијенту - око 20 К / цм и ниској стопи раста - не више од 0,3 мм / х.

Посебност спектра носилаца струје у бизмуту је у томе што су проводни и валентни појасеви прилично блиски. Поред тога, на промену параметара спектра утичу: притисак, магнетно поље, нечистоће, промене температуре и састав саме легуре.

На овај начин се могу контролисати параметри спектра носилаца струје у материјалу, што омогућава добијање материјала са оптималним својствима и максималном термоелектричном вредношћу.

Такође видети:Пелтиер елемент - како функционише и како проверити и повезати