Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Справочник электрика / Электротехнические материалы / Термоэлектрические материалы и методы их получения


 

Термоэлектрические материалы и методы их получения



К термоэлектрическим материалам относятся химические соединения и сплавы металлов, отличающиеся более или менее выраженными термоэлектрическими свойствами.

В зависимости от величины получаемой термо-ЭДС, от температуры плавления, от механических характеристик, а также от электропроводности, данные материалы применяются в промышленности для трех целей: для преобразования тепла в электричество, для термоэлектрического охлаждения (перенос тепла при прохождении электрического тока), а также для измерения температуры (в пирометрии). В большинстве своем это: сульфиды, карбиды, оксиды, фосфиды, селениды и теллуриды.

Так, в термоэлектрических холодильниках применяют теллурид висмута. Для измерения температур больше подходит карбид кремния, а в термоэлектрических генераторах (ТЭГ) оказывается полезным целый ряд материалов: теллурид висмута, теллурид германия, теллурид сурьмы, теллурид свинца, селенид гадолиния, селенид сурьмы, селенид висмута, моносульфид самария, силицид магния и станнид магния.

Термоэлектрические материалы

Полезные свойства данных материалов основаны на двух эффектах - Зеебека и Пельтье. Эффект Зеебека заключается в возникновении термо-ЭДС на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека, и заключается он в переносе тепловой энергии при прохождении электрического тока через места контактов (спаи) разнородных проводников, от одного проводника к другому.

Термоэлектрический генератор

В некоторой степени данные эффекты суть - одно, поскольку причина обеих термоэлектрических явлений — связана с нарушением теплового равновесия в потоке носителей.

Далее давайте рассмотрим один из наиболее популярных и востребованных термоэлектрических материалов — теллурид висмута.

Общепринятым является то, что материалы с рабочим интервалом температур ниже 300 К относятся к низкотемпературным термоэлектрическим материалам. Ярким примером такого материала является как раз теллурид висмута Bi2Te3. На его основе получают многочисленные термоэлектрические соединения с различными характеристиками.

Теллурид висмута

Теллурид висмута имеет ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, которая включает в себя набор слоев — квинтетов, расположенных под прямым углом к оси симметрии третьего порядка.

Предполагается, что химическая связь Bi-Te – ковалентная, а связь Te-Te – ваандервальсова. Для получения проводимости определенного типа (электронной или дырочной), в исходный материал вводят избыток висмута, теллура, либо легируют вещество примесями, такими как мышьяк, олово, сурьма или свинец (акцепторы), или донорами: CuBr, Bi2Te3CuI, В, AgI.

Примеси дают сильно анизотропную диффузию, ее скорость в направлении плоскости спайности достигает скорости диффузии в жидкостях. Под действием градиента температур и электрического поля, в теллуриде висмута наблюдается перемещение примесных ионов.

Для получения монокристаллов, их выращивают методом направленной кристаллизации (Бриджмена), методом Чохральского или зонной плавкой. Сплавы на основе теллурида висмута характеризуются выраженной анизотропией роста кристалла: скорость роста вдоль плоскости спайности сильно превышает скорость роста в перпендикулярном данной плоскости направлении.

Термоэлементы изготавливают путем прессования, экструзии или непрерывным литьем, а термоэлектрические пленки изготавливают традиционно вакуумным напылением. Фазовая диаграмма для теллурида висмута представлена ниже:

Фазовая диаграмма для теллурида висмута

Чем выше температура — тем ниже оказывается термоэлектрическая добротность сплава, так как начинает влиять собственная проводимость. Следовательно при высоких температурах, выше 500-600 К, данные славы использовать нельзя просто из-за малой ширины запрещенной зоны.

Чтобы термоэлектрическая добротность Z получилась максимальной даже при не очень высокой температуре, легирование производят насколько это возможно оптимально, чтобы концентрация примесей была меньше, что обеспечило бы меньшую электропроводность.

Для предотвращения концентрационного переохлаждения (снижающего термоэлектрическую добротность) в процессе выращивания монокристалла, применяют значительные градиенты температур (до 250 К/см) и малую скорость роста кристалла — порядка 0,07 мм/мин.

Термоэлектрическая добротность

Висмут и сплавы висмута с сурьмой дают при кристаллизации ромбоэдрическую решетку, которая относится к дитригональному скаленоэдру. Элементарная ячейка висмута имеет форму ромбоэдра с ребрами длиной 4,74 ангстрем.

Атомы в такой решетке располагаются двойными слоями, причем каждый атом имеет три соседних в двойном слое и три в смежном слое. Внутри двойного слоя связи ковалентные, а между слоями — вандерваальсовы, что приводит к резкой анизотропии физических свойств у получаемых материалов.

Выращивание монокристаллов висмута легко реализуется путем зонной перекристаллизации, методов Бриджмена и методом Чохральского. Сурьма с висмутом дают непрерывный ряд твердых растворов.

Монокристалл сплава висмут-сурьма выращивают с учетом технологических особенностей, вызванных существенной разницей между линиями солидуса и ликвидуса. Так расплав может дать мозаичную структуру из-за перехода в переохлажденное состояние у фронта кристаллизации.

Для предотвращения переохлаждения прибегают к большому температурному градиенту — около 20 К/см и малой скорости выращивания — не более 0,3 мм/ч.

Максимальная термоэлектрическая добротность

Особенность спектра носителей тока в висмуте в том, что зоны проводимости и валентные зоны достаточно близки. Кроме того на изменение параметров спектра влияют: давление, магнитное поле, примеси, изменение температуры и непосредственно состав сплава.

Таким образом, параметрами спектра носителей тока в материале можно управлять, что позволяет получать материал с оптимальными свойствами и максимальной термоэлектрической добротностью.

Смотрите также: Элемент Пельтье - как устроен и работает, как проверить и подключить