Термоелектричний сплав

Винахід відноситься до металургії, зокрема, до пошуку нових інтерметалічних термоелектричних сплавів, і може бути використаний при виготовленні електродів термопар або в термоелектрогенераторах для прямого перетворення теплової енергії в електричну. Відомий сплав на основі родію, що використовується в якості термоелектричних матеріалів в різних пристроях [Авт. св. СССР № 1585365, кл. С 22 с 5/04] І містить титан, галій І родій при наступному вмісті компонентів, мас.%: Титан 19,96-23,01 Галій 29,02-35,59 Родій Решта Недоліком цього сплаву є невелика від'ємна термоерс, максимальне значення якої складає -68,9 мкВ/К при температурі 400 К. Відомі перспективні термоелектричні матеріали для термогенераторів - тверді розчини силіцидів нікелю в моносиліциді кобальту складу Co0,97Ni0,03Si, Co0,99Ni0,01Si, Co0,96Ni0,04Si. Co0,93Ni0,07Si [Кайданов В.И., Зайцев В.К., Федоров М.Й., Целищев ΒΑ Зонная структура и физические свойства моносилицидов 3d-переходных металлов. //Ленинград. ФТИ АН СССР, Препр. № 890, 1984, 67 с.), що містять кобальт, нікель І кремній при наступному вмісті компонентів, ваг.%: Кобальт 65,70; 67,05; 65,02; 63,00 Нікель 2,02; 0,67; 2,70; 4,72 Кремній Решта Недоліком даних матеріалів є невелике від'ємне значення термоерс (-20 ¸ -80мкВ/К). Відома термоелектрорушійна сила подвійних нікелевих сплавів при високих температурах, зокрема сплавів нікелю і титану [Бейлин В.М., Зейналов Т.И., Рогельберг И.Л. Термоэлектродвижущая сила двойных никелевых сплавов при высоких температурах//Научн тр. Н-и и проэктн. ин-т сплавов и обработки цветн. мет. 1976. Вып. 51. С. 16-35] в облает! температур 77-1200 К при наступному вміст! компонентів, ваг.%: Недоліком цих подвійних нікелевих сплавів є невелика абсолютна термоелектрорушійна сила навіть при максимальних досягнути х температурах, що дорівнює -20 мкВ/град. Відома низькотемпературна термоелектрорушійна сила подвійних сплавів з нікелем І титаном в Інтервалі температур 4,2-300 К [Бейлин В.М., Зейналов Т.И., Рогельберг И.Л., Черенков В.А. Низкотемпературная термо-ЭДС двойных сплавов никеля с переходными металлами//Физ. мет. и металовед. 1974, т. 38, № 6, с. 1315-1318], що містять, ваг.%: Недоліком цих сплавів є мала абсолютна величина термоелектрорушійної сили в досліджуваному Інтервалі температур, що не перевищує +5,5 мкВ/град позитивних і -2 мкВ/град негативних значень термоерс. Відомі термоелектричні властивості антимонідів рідкісноземельних елементів складу Ln5Sb3 [Абдусалемова М.Н., Абдулхаев В.Д., Гончарова Е.В., и др. Электрические свойства антимонидов РЗЭ состава Ln5Sb3 (Ln = Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Но)//ФТТ. 1982. Т. 24. В. 3. С. 752-756], що містить один із елементів групи лантану (неодим, самарій, гадоліній, тербій, диспрозій або гольмій) і сурму при наступному співвідношенні компонентів, ат.%: Недоліком відомих антимонідів є низьке значення термоелектрорушійної сили, що складає не більше -11,6 мкВ/град, наприклад, для антимоніду гадолінію в області температур 300-800 К. Відомий матеріал для термопар і термоелементів [Авт. св. СССР № 1797423, кл. Η 01 Τ 35/14], що містить нікель, гафній, олово 1 кобальт при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: Недоліком відомого матеріалу для термопар І термоелементів є невелике значення диференційної термоерс, що складає, максимально, 67 мкВ/К. Відомий сплав системи галій-нікель-сурма [Леонов В.В., Кравцов Η.Η. Свойства сплавов тройной системы InSb-GaSb-NiSb//M3B. АН СССР. Неорганич. матер. 1983. Т.19. № 9. С. 1583-1584], що містить, ваг.%: Недоліком відомих сплавів є те, що у всій вказаній області існування їх термоелектрорушійна сила не перевищує 42 мкВ/К. Відомий сплав [Новиков В.Н., Харьков Ε.П., Кузьма И.Μ. Исследование удельного электросопротивления и абсолютной термоэдc фольг Co75Fe5B13C 7 и Co71Fe4Si15B10 в аморфном и кристаллическом состояниях/Металлофизика. 1983. Т. 5. Ns 4. С. 104-105], що містить кобальт, залізо, бор, вуглець у наступному співвідношенні, ваг. %. Недоліком відомого сплаву є те, що всьому досліджуваному інтервалі температур (-196 ¸ 800°С) абсолютна термоелектрорушійна сила не перевищує -14 мкВ/град, а також є негативною при цих температурах. Найбільш близьким за технічним вирішенням є сплав, що містить кобальт, залізо, кремній та бор у наступному співвідношенні [Новиков В.Η., Харьков Е.И., Кузьма И.Μ. Исследование удельного электросопротивления и абсолютной термоэдс фольг Co75Fe5B13C7 и Сo71Fe4Si15B10 аморфном и кристаллическом состояниях/Металлофизика. 1983. Т. 5 № 4. С 104-105], ваг. %: Недоліком відомого сплаву є те, що у всьому досліджуваному інтервалі температур (-196~800°С) абсолютна термоелектрорушійна сила не перевищує -27 мкВ/град (максимум при 300-400°С) а також є негативною при цих температурах. Технічне завдання - створити такий матеріал, який би володів позитивною термоелектрорушійною силою. Поставлене завдання досягається таким чином, що у запропонований сплав, який містить кобальт І залізо згідно винаходу, додатково введено титан і сурму при наступному співвідношенні компонентів, ваг.%: Зміна знаку коефіцієнту термоерс відбувається завдяки додатковому введенню у запропонований сплав титану і сурми, а також формуванню матеріалу з однорідною структурою. При вказаному співвідношенні компонентів і наступному їх сплавленні в електродуговій печі та гомогенізуючому відпалі при температурі 600°С одержуємо однофазний матеріал з кристалічною структурою типу Mg AgAs. Композиції сплавів для опробування одержували сплавленням вихідної шихти в електродуговій печі з вольфрамовим електродом в захисній атмосфері аргону. У якості вихідних компонентів використовувались, титан йодидний (99,9% Ті), кобальт електролітичний (99,9% Co), залізо карбонільне (99,9% Fe) І сурма марки Су000 (99,99% Sb). Наважки компонентів сплавляли в електродуговій печі. Одержані злитки відпалювали при температурі 600°С в евакуйованих кварцевихампулах. Зразки ідентифікувались з допомогою рентгеноструктурного аналізу (використовувався ди фрактометр ДРОН -2.0, Fe Κα випромінювання). Після чого на електроіскровій різці вирізались зразки правильної геометричної форми для вимірювання диференційної термоерс відносно міді. Приклад 1. Наважки титану йодидного, заліза карбонільного кобальту електролітичного, сурми марки Су 000, у кількості 0,419 г, 0,024 г, 0,490 г і 1,066 г, відповідно, сплавляли в електродуговій печі з вольфрамовим електродом в атмосфері очищеного аргону. Одержані злитки піддавались гомогенізуючому відпалу при температурі 600°С у вакуумованих кварцевих ампулах, на протязі 350 годин. Фазовий аналіз сплавів проводили при допомозі дифрактограм (використовувався дифрактометр ДРОН -2,0, Fe Κα випромінювання). Зразки правильної геометричної форми, у вигляді паралелепіпеди, для вимірювання диференційної термоерс відносно міді вирізали на електроіскровій різці. Значення термоерс у даному випадку при 400 К дорівнює -3 мкВ/К. При клад 2. Наважки титану йодид-ного, заліза карбонільного, кобальту електролітичного І сурми марки Су 000 у кількості 0,420 г, 0,049 г, 0,465 г і 1 ,067 г, відповідно, сплавлялись в дуговій печі. Після плавки злитки піддавались гомогенізуючому відпалу у вакуумі на протязі 350 годин при температурі 600°С. Із ідентифікованих з допомогою рентгеноструктурного аналізу злитків вирізались на електроіскровій установці зразки, на яких вимірювалась ди-ференційна термоерс відносно міді, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює +69 мкВ/К. Приклад 3. Наважки титану йодид-ного, заліза карбонільного, кобальту електролітичного, сурми марки Су 000, у кількості 0,420 г, 0,073 г, 0,439 г і 1,067 г, відповідно, сплавляли в електродуговій печі з вольфрамовим електродом в атмрсфері очищеного аргону. Після плавки злитки піддавались гомогенізуючому відпалу у вакуумі на протязі 350 годин при температурі 600°С. Із Ідентифікованих з допомогою рентгеноструктурного аналізу злитків вирізались на електроіскровій установці зразки, на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно міді, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює +134 мкВ/К. Приклад 4. Наважки титану йодид-ного, заліза карбонільного, кобальту електролітичного і сурми марки Су 000 у кількості 0,420 г, 0,098 г, 0,414 г І 1,068 г, відповідно, сплавлялись в дуговій печі. Одержані злитки піддавались гомогенізуючому відпалу при температурі 600°С у вакуумованих кварцевих ампулах, на протязі 350 годин. Фазовий аналіз сплавів проводили при допомозі дифрактограм (використовувався дифрактометр ДРОН -2,0, Fe Κα випромінювання). Зразки правильної геометричної форми у вигляді паралелепіпеда для вимірювання диференційної термоерс відносно міді вирізали на електроіскровій різці. Значення термоерс у даному випадку при 400 К дорівнює +162 мкВ/К. Приклад 5. Наважки титану йодид-ного, заліза карбонільного, кобальту електролітичного, сурми марки Су 000, у кількості 0,421 г, 0,197 г, 0,311 г І 1,071 г, відповідно, сплавляли в електродуговій печі з вольфрамовим електродом в атмосфері очищеного аргону. Одержані сплави відпалювали при температурі 600°С на протязі 350 годин у вакуумованих ампулах, із Ідентифікованих з допомогою рентгеноструктурного аналізу злитків (дифрактометр ДРОН -2,0, Fe Κα випромінювання) вирізались на електроіскровій установці зразки, на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно міді, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює +95 мкВ/К. Приклад 6. Наважки титану йодид-ного, заліза карбонільного, кобальту електролітичного, сурми, марки Су 000, у кількості 0,419 г, 0,000 г, 0,516 г І 1,065 г, відповідно, сплавляли в електродуговій печі з вольфрамовим електродом в атмосфері очищеного аргону. Одержані злитки піддавались гомогенізуючому відпалу при температурі 600°С у вакуумованих кварцевих ампулах, на протязі 350 годин. Фазовий аналіз сплавів проводили при допомозі дифрактограм (використовувався дифрактометр ДРОН -2,0, Fe Κα випромінювання). Зразки правильноТ геометричної форми, у вигляді паралелепіпеда, для вимірювання диференційної термоерс відносно міді вирізали на електроіскровій різці. Значення термоерс у даному випадку при 400 К дорівнює -56 мкВ/К. Приклад 7. Наважки титану йодидного, заліза карбонільного, кобальту електролітичного, сурми марки Су 000, у кількості 0,423 г, 0,296 г, 0,208 г і 1,074 г, відповідно, сплавляли в електродуговій печі з вольфрамовим електродом в атмосфері очищеного аргону. Одержані сплави відпалювали при температурі 600°С на протязі 350 годин у вакуумованих ампулах. Із ідентифікованих з допомогою рентгеноструктурного аналізу злитків (дифрактометр ДРОН -2,0, Fe Κα випромінювання) вирізались на електроіскровій установці зразки, на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно міді, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює -4 мкВ/К. Результати помірів диференційної термоерс відносно міді та приклади вагових складів сплавів зведено у таблицю. Як видно з таблиці велике позитивне значення термоерс досягається за рахунок того, що у сплав який містить кобальт, залізо, бор і кремній додатково ввели титан і сурму при певному співвідношенні компонентів (приклади 2, 3, 4, 5). При відхиленні складу сплавів від запропонованого значення термоерс стає негативним (приклад 1, 6, 7), що не відповідає технічному завданню.