Презентация Термоэлектрические материалы. Современное состояние и пути повышения их эффективности онлайн

Содержание слайда: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва, Россия

Содержание слайда: Термоэлектричество – прямое преобразование энергии в тепло или тепла в энергию. Термоэлектричество – прямое преобразование энергии в тепло или тепла в энергию. Основные характеристики эффективности термоэлектрического преобразования энергии – холодопроизводительность охладителя и коэффициент полезного действия термогенератора, которые напрямую зависят от добротности термоэлектрического материала. Цель данного исследования на основе анализа последних литературных данных определить возможности повышения эффективности термоэлектрических устройств за счет увеличения термоэлектрической добротности материалов их ветвей.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Основоположник термоэлектрического материаловедения – А.Ф.Йоффе. Он и его сотрудники разработали первый тип ТЭГ еще в 1941 году и он применялся в Великую Отечественную Войну для питания радиопередатчиков. Основоположник термоэлектрического материаловедения – А.Ф.Йоффе. Он и его сотрудники разработали первый тип ТЭГ еще в 1941 году и он применялся в Великую Отечественную Войну для питания радиопередатчиков. Термоэлектрические установки способны преобразовывать в электричество тепловую энергию от любых источников: солнечную, ядерную, теплоту от сжигания органического топлива, геотермальную или океаническую.Они имеют большой срок службы (не менее 25 лет), экологически чистые, не требуют технического обслуживания. К концу 1960 годов ZT достигло величины 0.75 и термоэлектричество нашло широкое применение: Термоэлектрические охладители применяются для охлаждения военного и космического оборудования (инерционные системы наведения, аппаратура ночного видения, ИК – детекторы, средства охлаждения электронных систем), в бытовой технике, микроэлектронике, оптоэлектронике, медицине (минихолодильники, термостатирующие камеры, климатические системы и т.д.). Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) используются, например, в составе автоматических радиометрических станций на морском побережье и островах, источников электрической энергии в космических энергоустановках (ЯЭУ «БУК» (СССР), SNAP - 10A (США). В Курчатовском Институте был разработан генератор «Ромашка» с ядерным источником на 500 вт. На магистральных газопроводах России успешно эксплуатируется свыше 12 тыс. газовых низкотемпературных ТЭГ. В СФТИ были созданы кольцевые ТЭГ.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Области температур, где могут использоваться и уже используются термоэлектрические материалы. Температуры ниже 150 К – сплавы Bi c добавлением Sb. Температуры 150 – 400 К – халькогениды висмута и сурьмы. Температуры 400 – 900 К - теллуриды свинца, комплексные халькогениды, скуттерудиты, силициды, антимонид цинка, интерметаллиды (сплавы Гойслера), оксиды, клатраты. Температуры выше 900 К - сплавы Si-Ge, карбид кремния, бор.

Содержание слайда: Методы получения термоэлектрических материалов Методы направленной кристаллизации: Метод Бриджмена, метод Чохральского, зонная плавка Методы порошковой металлургии: Механохимический синтез, спиннингование расплава, грануляция в жидкость - порошки. Горячее прессование, горячая экструзия, искровое плазменное спекание (SPS) – объемные образцы

Содержание слайда: Выращивание монокристаллов методом Чохральского с подпиткой расплавом

Содержание слайда: Cпиннингование расплава

Содержание слайда:

Содержание слайда: Температуры ниже 150 К Cплавы Bi c Sb (9-15 ат.% Sb) (n-тип проводимости)

Содержание слайда: Опытный образец 2-х каскадного МТЭ-охладителя

Содержание слайда: ZT лучших термоэлектрических материалов в интервале 300-1300 К

Содержание слайда: Температуры 150 - 400 К р-ветвь материалы на основе твердого раствора Bi2Te3- Sb2Te3 или BiX Sb1-XTe3 (0.4≤х≤0.6) n-ветвь материалы на основе твердого раствора Bi2Te3- Bi2Se3 или Bi2Te3(1-х) Se3х (0.06≤х≤0.2)

Содержание слайда: Элементарная ячейка Bi0.4Sb1.6Se3xTe3(1-x) (0.0≤ x ≤ 0.8),

Содержание слайда: Монокристаллы, полученные по методу Чохральского

Содержание слайда: Монокристаллы большого диаметра

Содержание слайда: Монокристаллы с градиентом концентрации носителей тока

Содержание слайда: Анизотропия термоэлектрических свойств Bi0.5Sb1.5Te3 σ2/σ1 = 23 æ2/æ1 = 2 3 2/ 1 = 1.05  1.1 Z2/Z1 ~ 1 p = (4-6)1019 cm-3, 1 = +(150-180) V/K

Содержание слайда: Монокристаллы р-тип проводимости αк от 160( 4) до 270 (2) мкВ/К

Содержание слайда: Монокристаллы n-тип проводимости с αк от -170 (1) до -270 (3) мкВ/К

Содержание слайда: Мелкокристаллические образцы и наноматериалы

Содержание слайда: Согласно теоретическим оценкам, в наноструктурах действуют 3 механизма, которые могут привести к увеличению ZT: Согласно теоретическим оценкам, в наноструктурах действуют 3 механизма, которые могут привести к увеличению ZT: Туннелирование носителей между нанозернами Дополнительное рассеяние на границах зерен Энергетическая фильтрация носителей. Значительное увеличение ZT (до 3.5) возможно лишь в том случае, если размеры зерен будут 10-20 нм,а вакуумные зазоры между ними 1-2 нм

Содержание слайда: Максимальная ZT , теплопроводность при 300 К и методы получения материалов р-типа проводимости BМ - измельчение в шаровой мельнице, HS –механохимический синтез, МS – спиннигование расплава, ZM – зонная плавка, НР – горячее прессование, SPS - искровое плазменное спекание, HE –экструзия

Содержание слайда: BМ - измельчение в шаровой мельнице, HS –механохимический синтез, МS – спиннигование расплава, ZM – зонная плавка, НР – горячее прессование, SPS - искровое плазменное спекание, HE –экструзия

Содержание слайда:

Содержание слайда: Bi0.52Sb1.48Te3, получен спиннингованием расплава и SPS - методом W.Xie et.al, Applied Phys Letters, 2009, 94, 102111

Содержание слайда: (Bi2Te3)x(Sb2Te3)1-x, с 3 вес.% изб.Те, полученны SPS методом (Bi2Te3)x(Sb2Te3)1-x, с 3 вес.% изб.Те, полученны SPS методом

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Bi0.5Sb1.5Te3, получен экструзией

Содержание слайда:

Содержание слайда: Максимальная ZT , теплопроводность при 300 К и методы получения материалов n-типа проводимости

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Bi2Te2.82Se0.18, получен экструзией

Содержание слайда: Bi2(Te,Se)3 получен спиннингованием расплава и горячим прессованием

Содержание слайда: n-тип Bi2Te2.95Se0.05, получен горячим прессованием при высоком давлении Ping Zou, at al. Materials Research Bulletin, 2014, 60 808–813

Содержание слайда:

Содержание слайда: Температуры 400 - 900 К

Содержание слайда: PbTe 1−y Sey, легирован калием, PbTe 1−y Sey, легирован калием,

Содержание слайда: Скуттерудиты Максимальная ZT , теплопроводность при 300 К и методы получения BМ - измельчение в шаровой мельнице, СM –химический синтез, МS – спиннигование расплава,, НР – горячее прессование, SPS - искровое плазменное спекание,

Содержание слайда: Ce0.1InxYbyCo4Sb12, получен SPS методом (n-тип) Graff J. J. of Electron. Mater., 2011, v. 40, N 5, 696-701

Содержание слайда: Ba0.44Co4Sb12, легирован C60, получен SPS методом

Содержание слайда:

Содержание слайда: LAST –материалы AgSbTe2 с PbTe

Содержание слайда: TAGS-материалы AgSbTe2 c SnTe и and GeTe Cтруктура кубическая, типа NaCl Для (AgSbTe2)x(GeTe)1−x р-тип ZT = 1.7 при T = 700 K и ZT = 1.4 при T = 750 ( x = 80 и x = 85)

Содержание слайда: Силициды магния Структура кубическая типа CaF2

Содержание слайда:

Содержание слайда: Высший силицид марганца MnSi1.67 - MnSi1.77

Содержание слайда: Сплавы ВСМ (1), легированные 7мол.% CrSi2 (2) и 2 ат% Ge (3). Сплавы ВСМ (1), легированные 7мол.% CrSi2 (2) и 2 ат% Ge (3). Полученны методом Бриджмена.

Содержание слайда: Температуры выше 900 К Сплавы Si-Ge

Содержание слайда: Для термогенераторов при температуре горячего спая ниже 600 К используются халькогениды висмута и сурьмы. При более высоких температурах применяются материалы на основе PbTe и Si-Ge. Для термогенераторов при температуре горячего спая ниже 600 К используются халькогениды висмута и сурьмы. При более высоких температурах применяются материалы на основе PbTe и Si-Ge. Для многокаскадных ТЭГ используют также материалы на основе, Zn4Sb3, скуттерудитов, теллуридов Sb, Ge и Ag (TAGS), теллуридов Sb, Pb и Ag (LAST). Силициды Mg и Mn являются перспективными материалами для ТЭГ как наиболее дешевые и экологически чистые. Применение современных технологий получения нанокристаллических порошков и мелкокристаллических образцов позволяет увеличить термоэлектрическую эффективность традиционных материалов и получить новые более эффективные материалы.

Содержание слайда: Спасибо за внимание Спасибо за внимание