Termoelektrinės medžiagos ir jų paruošimo būdai
Termoelektrinėms medžiagoms priskiriami cheminiai junginiai ir metalų lydiniai, kurie yra daugiau ar mažiau ryškūs. termoelektrines savybes.
Priklausomai nuo gauto termo-EMF vertės, nuo lydymosi temperatūros, nuo mechaninių charakteristikų, taip pat nuo elektrinio laidumo, šios medžiagos pramonėje naudojamos trims tikslams: šilumai paversti elektra, termoelektriniam aušinimui. (šilumos perdavimas praleidžiant elektros srovę), taip pat matuoti temperatūrą (pirometrija). Dauguma jų yra: sulfidai, karbidai, oksidai, fosfidai, selenidai ir teluridai.
Taigi termoelektriniuose šaldytuvuose jie naudojami bismuto teluridas... Silicio karbidas labiau tinka temperatūrai matuoti ir c termoelektriniai generatoriai (TEG) Nustatyta, kad naudingos įvairios medžiagos: bismuto teluridas, germanio teluridas, stibio teluridas, švino teluridas, gadolinio selenidas, stibio selenidas, bismuto selenidas, samario monosulfidas, magnio silicidas ir magnio stanitas.
Šių medžiagų naudingos savybės yra pagrįstos apie du efektus - Seebecką ir Peltier… Seebeck efektas susideda iš termo-EMF atsiradimo nuosekliai sujungtų skirtingų laidų galuose, kurių kontaktai yra skirtingos temperatūros.
Peltier efektas yra priešingas Seebeck efektui ir susideda iš šilumos energijos perdavimo, kai elektros srovė eina per skirtingų laidininkų kontaktinius taškus (sankryžas) iš vieno laidininko į kitą.
Tam tikru mastu šie poveikiai yra vienas nuo to laiko dviejų termoelektrinių reiškinių priežastis yra susijusi su nešiklio srauto šiluminės pusiausvyros sutrikimu.
Toliau pažvelkime į vieną populiariausių ir geidžiamiausių termoelektrinių medžiagų – bismuto teluridą.
Visuotinai pripažįstama, kad medžiagos, kurių darbinės temperatūros diapazonas yra žemesnis nei 300 K, priskiriamos žemos temperatūros termoelektrinėms medžiagoms. Ryškus tokios medžiagos pavyzdys yra tiesiog bismuto teluridas Bi2Te3. Jo pagrindu gaunama daug skirtingų charakteristikų termoelektrinių junginių.
Bismuto teluridas turi romboedrinę kristalografinę struktūrą, kurią sudaro sluoksnių rinkinys - kvintetai, stačiu kampu trečios eilės simetrijos ašiai.
Manoma, kad Bi-Te cheminė jungtis yra kovalentinė, o Te-Te jungtis yra Waanderwal. Norint gauti tam tikrą laidumą (elektroną ar skylę), į pradinę medžiagą įpilamas bismuto, telūro perteklius arba medžiaga legiruojama su priemaišomis, tokiomis kaip arsenas, alavas, stibis ar švinas (akceptoriai) arba donorais: CuBr. , Bi2Te3CuI, B, AgI .
Priemaišos suteikia labai anizotropinę difuziją, jos greitis skilimo plokštumos kryptimi pasiekia difuzijos greitį skysčiuose.Temperatūros gradiento ir elektrinio lauko įtakoje stebimas priemaišų jonų judėjimas bismuto teluride.
Norint gauti pavienius kristalus, jie auginami kryptinės kristalizacijos (Bridgeman) metodu, Czochralski metodu arba zoniniu lydymu. Lydiniams, kurių pagrindą sudaro bismuto teluridas, būdinga ryški kristalų augimo anizotropija: augimo greitis išilgai skilimo plokštumos žymiai viršija augimo greitį statmenai šiai plokštumai.
Termoporos gaminamos presavimo, ekstruzijos arba nuolatinio liejimo būdu, o termoelektrinės plėvelės tradiciškai gaminamos vakuuminio nusodinimo būdu. Bismuto telurido fazių diagrama parodyta žemiau:
Kuo aukštesnė temperatūra, tuo mažesnė lydinio termoelektrinė vertė, nes pradeda veikti vidinis laidumas, todėl esant aukštai temperatūrai, virš 500-600 K, ši šlovė negali būti naudojama vien dėl mažo draudžiamos zonos pločio.
Kad termoelektrinė Z reikšmė būtų maksimali net ir ne itin aukštoje temperatūroje, legiravimas atliekamas kuo geriau, kad priemaišų koncentracija būtų mažesnė, o tai užtikrintų mažesnį elektros laidumą.
Siekiant išvengti koncentracijos peršalimo (termoelektrinės vertės sumažėjimo) auginant monokristalą, naudojami dideli temperatūros gradientai (iki 250 K / cm) ir mažas kristalų augimo greitis - apie 0,07 mm / min.
Bismutas ir bismuto lydiniai su stibiu kristalizacijos metu sudaro romboedrinę gardelę, kuri priklauso dvisieniniam skaleneedrui.Vienetinė bismuto ląstelė yra romboedro formos, kurios kraštinės yra 4,74 angstremo ilgio.
Tokios gardelės atomai yra išsidėstę dvigubais sluoksniais, kiekvienas atomas turi tris kaimynus dvigubame sluoksnyje ir tris gretimame sluoksnyje. Ryšiai yra kovalentiniai dvisluoksniame sluoksnyje, o van der Waals jungiasi tarp sluoksnių, todėl susidaro ryški fizinių medžiagų anizotropija.
Bismuto pavieniai kristalai lengvai išauginami zoninės rekristalizacijos, Bridžmano ir Czochralskio metodais. Stibis su bismutu suteikia nuolatinę kietų tirpalų seriją.
Bismuto ir stibio lydinio monokristalas auginamas atsižvelgiant į technologines ypatybes, atsiradusias dėl didelio solidaus ir likvidumo linijų skirtumo. Taigi lydalas gali suteikti mozaikinę struktūrą dėl perėjimo į peršalimą kristalizacijos fronte.
Norėdami išvengti hipotermijos, jie naudojasi dideliu temperatūros gradientu - apie 20 K / cm ir mažu augimo greičiu - ne daugiau kaip 0,3 mm / h.
Bismuto srovės nešėjų spektro ypatumas yra tas, kad laidumo ir valentingumo juostos yra gana artimos. Be to, spektro parametrų pokyčiui įtakos turi: slėgis, magnetinis laukas, priemaišos, temperatūros pokyčiai ir paties lydinio sudėtis.
Tokiu būdu galima valdyti medžiagoje esančių srovės nešėjų spektro parametrus, o tai leidžia gauti optimalių savybių ir maksimalios termoelektrinės vertės medžiagą.
Taip pat žiūrėkite:Peltier elementas – kaip jis veikia ir kaip patikrinti bei prijungti