Termoelektromos anyagok és előállításuk módszerei
A termoelektromos anyagok közé tartoznak a kémiai vegyületek és fémötvözetek, amelyek többé-kevésbé hangsúlyosak. termoelektromos tulajdonságok.
A kapott termo-EMF értékétől, az olvadásponttól, a mechanikai jellemzőktől, valamint az elektromos vezetőképességtől függően ezeket az anyagokat az iparban három célra használják fel: hő elektromos árammá alakítására, termoelektromos hűtésre. (hőátadás elektromos áram átengedésekor), valamint hőmérséklet mérésére (pirometriában). Legtöbbjük: szulfidok, karbidok, oxidok, foszfidok, szelenidek és telluridok.
Tehát a termoelektromos hűtőszekrényekben használják bizmuttellurid... A szilícium-karbid alkalmasabb hőmérsékletmérésre és c termoelektromos generátorok (TEG) Számos anyagot találtak hasznosnak: bizmut-tellurid, germánium-tellurid, antimon-tellurid, ólom-tellurid, gadolínium-szelenid, antimon-szelenid, bizmut-szelenid, szamárium-monoszulfid, magnézium-szilicid és magnézium-sztanit.
Ezen anyagok hasznos tulajdonságai azon alapulnak két hatásról – Seebeckről és Peltierről… A Seebeck-effektus a termo-EMF megjelenésében áll a sorba kapcsolt különböző vezetékek végein, amelyek közötti érintkezők különböző hőmérsékletűek.
A Peltier-effektus a Seebeck-effektus ellentéte, és abban áll, hogy a hőenergia átadódik, amikor az elektromos áram áthalad a különböző vezetők érintkezési pontjain (csomópontjain), egyik vezetőről a másikra.
Bizonyos mértékig ezek a hatások egy óta a két termoelektromos jelenség oka a hordozóáramlásban a termikus egyensúly megbomlásával függ össze.
Ezután nézzük meg az egyik legnépszerűbb és legkeresettebb termoelektromos anyagot - a bizmuttelluridot.
Általánosan elfogadott, hogy a 300 K alatti üzemi hőmérsékletű anyagokat alacsony hőmérsékletű termoelektromos anyagok közé sorolják. Egy ilyen anyag szembetűnő példája egyszerűen a bizmuttellurid Bi2Te3. Ennek alapján számos különböző tulajdonságú termoelektromos vegyületet kapnak.
A bizmuttellurid romboéderes krisztallográfiai szerkezettel rendelkezik, amely a harmadrendű szimmetriatengelyre merőleges rétegeket – kvintetteket – tartalmaz.
Feltételezzük, hogy a Bi-Te kémiai kötés kovalens, a Te-Te kötés pedig Waanderwal. Egy bizonyos típusú vezetőképesség (elektron vagy lyuk) elérése érdekében bizmutot, tellúrt feleslegben vezetnek be a kiindulási anyagba, vagy az anyagot ötvözik szennyeződésekkel, mint például arzén, ón, antimon vagy ólom (akceptorok), vagy donorok: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .
A szennyeződések erősen anizotróp diffúziót adnak, sebessége a hasítási sík irányában eléri a folyadékokban való diffúzió sebességét.A hőmérsékleti gradiens és az elektromos tér hatására a szennyező ionok mozgása figyelhető meg a bizmuttelluridban.
Az egykristályok előállításához irányított kristályosítási (Bridgeman) módszerrel, Czochralski módszerrel vagy zónaolvasztással növesztik őket. A bizmuttellurid alapú ötvözeteket a kristálynövekedés kifejezett anizotrópiája jellemzi: a hasítási sík mentén a növekedési sebesség jelentősen meghaladja az erre a síkra merőleges irányú növekedési sebességet.
A hőelemeket préseléssel, extrudálással vagy folyamatos öntéssel, míg a termoelektromos fóliákat hagyományosan vákuumleválasztással állítják elő. A bizmuttellurid fázisdiagramja az alábbiakban látható:
Minél magasabb a hőmérséklet, annál alacsonyabb az ötvözet termoelektromos értéke, mivel a belső vezetőképesség kezd befolyásolni, ezért magas hőmérsékleten, 500-600 K felett ez a dicsőség egyszerűen a tiltott zóna kis szélessége miatt nem használható.
Annak érdekében, hogy a Z termoelektromos értéke még nem túl magas hőmérsékleten is maximális legyen, az ötvözést a lehető legjobban végezzük, hogy a szennyeződés koncentrációja kisebb legyen, ami alacsonyabb elektromos vezetőképességet biztosítana.
A koncentráció túlhűlésének megakadályozására (a termoelektromos érték csökkenése) az egykristály termesztése során jelentős hőmérsékleti gradienseket (250 K / cm-ig) és alacsony kristálynövekedési sebességet - körülbelül 0,07 mm / perc - alkalmaznak.
A bizmut és a bizmut ötvözetei antimonnal a kristályosítás során egy romboéder rácsot adnak, amely a diéderes skálaéderhez tartozik.A bizmut egységcellája romboéder alakú, élei 4,74 angström hosszúak.
Az ilyen rácsban lévő atomok kettős rétegben helyezkednek el, és mindegyik atomnak három szomszédja van egy kettős rétegben és három szomszédos rétegben. A kötések kovalensek a kettős rétegen belül, és van der Waals köt a rétegek között, ami a kapott anyagok fizikai tulajdonságainak éles anizotrópiáját eredményezi.
A bizmut egykristályok könnyen termeszthetők zonális átkristályosítással, Bridgman és Czochralski módszerekkel. Az antimon és a bizmut szilárd oldatok folyamatos sorozatát adja.
A bizmut-antimon ötvözetből készült egykristályt a solidus és a liquidus vonalak közötti jelentős különbség okozta technológiai sajátosságok figyelembevételével termesztik. Tehát az olvadék a kristályosodási fronton túlhűtött állapotba való átmenet miatt mozaikos szerkezetet adhat.
A hipotermia megelőzése érdekében nagy hőmérsékleti gradienst alkalmaznak - körülbelül 20 K / cm és alacsony növekedési sebességet - legfeljebb 0,3 mm / h.
A bizmutban lévő áramhordozók spektrumának sajátossága, hogy a vezetési és vegyértéksávok meglehetősen közel vannak egymáshoz. Ezenkívül a spektrum paramétereinek változását befolyásolják: nyomás, mágneses tér, szennyeződések, hőmérsékletváltozások és magának az ötvözetnek az összetétele.
Ily módon az anyagban lévő áramhordozók spektrumának paraméterei szabályozhatók, ami lehetővé teszi, hogy optimális tulajdonságú és maximális termoelektromos értékű anyagot kapjunk.
Lásd még:Peltier elem – hogyan működik, hogyan kell ellenőrizni és csatlakoztatni