Materiale termoelectrice și metode de preparare a acestora

Materialele termoelectrice includ compuși chimici și aliaje metalice, care sunt mai mult sau mai puțin pronunțate. proprietăți termoelectrice.

În funcție de valoarea termo-EMF obținută, de punctul de topire, de caracteristicile mecanice, precum și de conductibilitatea electrică, aceste materiale sunt utilizate în industrie în trei scopuri: pentru conversia căldurii în energie electrică, pentru răcirea termoelectrică. (transfer de căldură la trecerea curentului electric) și, de asemenea, pentru a măsura temperatura (în pirometrie). Cele mai multe dintre ele sunt: ​​sulfuri, carburi, oxizi, fosfuri, seleniduri si telururi.

Deci, în frigiderele termoelectrice se folosesc telurura de bismut... Carbura de siliciu este mai potrivită pentru măsurarea temperaturilor și c generatoare termoelectrice (TEG) Un număr de materiale s-au dovedit a fi utile: telurura de bismut, telurura de germaniu, telurura de antimoniu, telurura de plumb, seleniura de gadoliniu, seleniura de antimoniu, seleniura de bismut, monosulfura de samariu, siliciura de magneziu și stanita de magneziu.

Proprietățile utile ale acestor materiale se bazează pe pe două efecte — Seebeck și Peltier… Efectul Seebeck constă în apariția termo-EMF la capetele unor fire diferite conectate în serie, contactele între care sunt la temperaturi diferite.

Efectul Peltier este opusul efectului Seebeck și constă în transferul de energie termică atunci când un curent electric trece prin punctele de contact (joncțiuni) ale diferiților conductori, de la un conductor la altul.

Într-o oarecare măsură aceste efecte sunt unul de atunci cauza celor două fenomene termoelectrice este legată de o perturbare a echilibrului termic în fluxul purtătorului.

În continuare, să ne uităm la unul dintre cele mai populare și căutate materiale termoelectrice - telurura de bismut.

Este în general acceptat că materialele cu un interval de temperatură de funcționare sub 300 K sunt clasificate ca materiale termoelectrice la temperatură joasă. Un exemplu izbitor al unui astfel de material este pur și simplu telurura de bismut Bi2Te3. Pe baza ei se obțin mulți compuși termoelectrici cu caracteristici diferite.

Telurura de bismut are o structură cristalografică romboedrică care include un set de straturi - cvintete - în unghi drept față de axa de simetrie de ordinul trei.

Se presupune că legătura chimică Bi-Te este covalentă, iar legătura Te-Te este Waanderwal. Pentru a obține un anumit tip de conductivitate (electron sau gaură), în materia primă se introduce un exces de bismut, teluriu sau se aliează substanța cu impurități precum arsen, staniu, antimoniu sau plumb (acceptori) sau donatori: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Impuritățile dau o difuzie foarte anizotropă, viteza acesteia în direcția planului de clivaj atinge viteza de difuzie în lichide.Sub influența unui gradient de temperatură și a unui câmp electric, se observă mișcarea ionilor de impurități în telurura de bismut.

Pentru a obține cristale simple, acestea sunt crescute prin metoda de cristalizare direcțională (Bridgeman), metoda Czochralski sau topirea zonei. Aliajele pe bază de telurura de bismut se caracterizează printr-o anizotropie pronunțată a creșterii cristalelor: rata de creștere de-a lungul planului de clivaj depășește semnificativ rata de creștere în direcția perpendiculară pe acest plan.

Termocuplurile sunt produse prin presare, extrudare sau turnare continuă, în timp ce filmele termoelectrice sunt produse în mod tradițional prin depunere în vid. Diagrama de fază pentru telurura de bismut este prezentată mai jos:

Cu cât temperatura este mai mare, cu atât valoarea termoelectrică a aliajului este mai mică, deoarece conductivitatea internă începe să afecteze.De aceea, la temperaturi ridicate, peste 500-600 K, această glorie nu poate fi folosită doar din cauza lățimii mici a zonei interzise.

Pentru ca valoarea termoelectrică a lui Z să fie maximă chiar și la temperaturi nu foarte ridicate, alierea se face cât mai bine astfel încât concentrația de impurități să fie mai mică, ceea ce ar asigura o conductivitate electrică mai mică.

Pentru a preveni suprarăcirea concentrației (reducerea valorii termoelectrice) în procesul de creștere a unui singur cristal, se folosesc gradienți semnificativi de temperatură (până la 250 K / cm) și o viteză scăzută de creștere a cristalului - aproximativ 0,07 mm / min.

Bismutul și aliajele de bismut cu antimoniu la cristalizare dau o rețea romboedrică care aparține scaleneedrului diedric.Celula unitară a bismutului are forma unui romboedru cu marginile lungi de 4,74 angstromi.

Atomii dintr-o astfel de rețea sunt aranjați în straturi duble, fiecare atom având trei vecini într-un strat dublu și trei într-un strat adiacent. Legăturile sunt covalente în interiorul stratului dublu și legăturile van der Waals între straturi, rezultând o anizotropie accentuată a proprietăților fizice ale materialelor rezultate.

Cristalele simple de bismut sunt ușor de crescut prin recristalizare zonală, metodele Bridgman și Czochralski. Antimoniul cu bismut dă o serie continuă de soluții solide.

Un monocristal din aliaj de bismut-antimoniu este cultivat ținând cont de caracteristicile tehnologice cauzate de o diferență semnificativă între liniile solidus și liquidus. Deci topitura poate da o structură de mozaic datorită trecerii la o stare suprarăcită pe frontul de cristalizare.

Pentru a preveni hipotermia, ei recurg la un gradient mare de temperatură - aproximativ 20 K / cm și o rată de creștere scăzută - nu mai mult de 0,3 mm / h.

Particularitatea spectrului purtătorilor de curent în bismut este că benzile de conducție și valență sunt destul de apropiate. În plus, modificarea parametrilor spectrului este afectată de: presiune, câmp magnetic, impurități, schimbări de temperatură și compoziția aliajului în sine.

În acest fel, pot fi controlați parametrii spectrului purtătorilor de curent din material, ceea ce face posibilă obținerea unui material cu proprietăți optime și valoare termoelectrică maximă.

Vezi si:Element Peltier - cum funcționează și cum se verifică și se conectează