Термоелектричний сплав

УКРАЇНА (19) UA (11) 48569 (13) U (51) МПК (2009) C22C 28/00 C22C 30/00 C22C 13/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ видається під відповідальність власника патенту ОПИС ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ СПЛАВ 1 2 33,96 21,85 0 44,19 Максимальна величина силового фактору 2 2 (Z*= / , мкВт/(К см)), що є одним з найважливіших параметрів, які визначають придатність термоелектричних сплавів до практичного застосу2 вання, для цих сплавів складає 16,5 мкВт/(К см) при у=0,02. Відомі термоелектричні матеріали для термогенераторів - тверді розчини заміщення на базі інтерметалічного напівпровідника ZrNiSn зі струкНікель Цирконій Олово Сурма 21,85 33,96 44,19 0 21,85 33,96 43,75 0,45 Максимальна величина силового фактора для 2 цих сплавів складає 8,3 мкВт/(К см) при х=0,01. 33,96 21,73 0,12 44,19 33,95 21,40 0,47 44,18 33,94 20,96 0,94 44,16 турою типу MgAgAs складу NiZrSn1-xSbx де х=0; 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,24. (Y. Kawaharada, H. Uneda, К. Kurosaki, S. Yamanaka. High temperature properties of NiZrSn half-Heusler compounds // Journal of Alloys and Compounds 364 (2004) P. 5963), що містить нікель, цирконій, олово і сурму за такого вмісту компонентів у мас. %, відповідно: (13) (19) Цирконій Нікель Мідь Олово 48569 інтерметалічного напівпровідника ZrNiSn зі структурою типу MgAgAs складу ZrNi1-уCuySn, де у=0; 0,005; 0,02; 0,04 (S. Katsuyama, Н. Matsushima, M. Ito. Effect of substitution for Ni by Co and/or Cu on the thermoelectric properties of halh-Heusler ZrNiSn // Journal of Alloys and Compounds 385 (2004) P. 232-237), що містить цирконій, нікель, мідь і олово за такого вмісту компонентів у мас. %, відповідно: (11) Корисна модель стосується матеріалознавства, а саме нових інтерметалічних термоелектричних сплавів і може бути використана при виготовленні термоелектричних приладів у якості термоелектричного матеріалу або у термоелектричних генераторах для прямого перетворення теплової енергії в електричну. Відомі термоелектричні матеріали для термогенераторів - тверді розчини заміщення на базі U (57) Термоелектричний сплав на основі олова, нікелю і гафнію, який відрізняється тим, що додатково містить сурму за такого співвідношення компонентів (мас. %): гафній 50,15-50,13 нікель 16,49-16,48 сурма 0,17-1,71 олово решта. UA (21) u200909754 (22) 24.09.2009 (24) 25.03.2010 (46) 25.03.2010, Бюл.№ 6, 2010 р. (72) СТАДНИК ЮРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, ГОРИНЬ АНДРІЙ МАРКІЯНОВИЧ, СТАДНИК БОГДАН ІВАНОВИЧ, ГОРЕЛЕНКО ЮРІЙ КИРИЛОВИЧ (73) ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. ІВАНА ФРАНКА 21,84 33,95 43,30 0,91 21,84 33,95 42,85 1,36 21,84 33,94 41,96 2,26 21,79 33,87 33,49 10,85 Відомі термоелектричні матеріали для термогенераторів - тверді розчини заміщення на базі 3 48569 інтерметалічного напівпровідника (Hf,Zr)Co(Sb,Sn) зі структурою типу MgAgAs складу Hf0,50Zr0,50CoSb1-xSnx де х=0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5. (S.R. Culp, J.W. Simonson, S.J. Poon, V. Pormambalam, J. Edwards, T.M. Tritt. (Hf,Zr)Co(Sb,Sn) half-Heusler Гафній Цирконій Кобальт Сурма Олово 28,28 14,46 18,68 38,58 0 28,31 14,47 18,69 34,76 3,77 Максимальна величина силового фактора для 2 цих сплавів складає 18,7 мкВт/(К см) при х=0,5. Найближчим за технічними характеристиками - прототипом є термоелектричний сплав на основі олова (W. Kafer, К. Fess, Ch. Klos, К. Friemelt, E. Bucher. Thermoelectric properties of MNiSn (M=Ті, Zr, Hf) single crystals and related alloys // XVI International Conferernce on Thermoelectrics, Proceedings, (1997) P. 489-492), який містить гафній, нікель, олово за такого вмісту компонентів (мас. %): Гафній 50,15 Нікель 16,49 Олово решта Даний термоелектричний сплав має значення 2 величини силового фактора 18,0 мкВт/(К см) при температурі 380 К. В основу корисної моделі поставлено завдання удосконалити термоелектричний сплав шляхом підбору нового складу компонентів, який дозволив би підвищити значення силового фактора при температурі 380 К. Поставлене завдання досягається тим, що термоелектричний сплав на основі олова, нікелю і гафнію додатково містить сурму за такого вмісту компонентів (мас. %): Гафній 50,15-50,13 Нікель 16,49-16,48 Сурма 0,17-1,71 Олово решта Авторами запропоновано сплав, який містить гафній, нікель і олово, але на відміну від прототипу додатково введено сурму. Це дало змогу значно збільшити силовий фактор при температурі 380 К. Композиції сплавів для дослідження одержували сплавленням вихідної шихти компонентів в електродуговій печі з вольфрамовим електродом у захисній атмосфері очищеного аргону. Як вихідні компоненти використовували: гафній йодидний (99,86 % Hf), нікель (99,99 % Ni), олово (99,99 % Sn), сурма (99,99 % Sb). Наважки компонентів сплавляли в електродуговій печі. Одержані злитки відпалювали при температурі 800 °С у вакуумова 4 phases as high-temperature (>700 °С) p-type thermoelectric materials // Applied Physics Letters 93, 022105 (2008)), що містить гафній, цирконій, кобальт, олово і сурму за такого вмісту компонентів у мас. %, відповідно: 28,34 14,48 18,71 30,93 7,54 28,37 14,50 18,73 27,09 11,32 28,42 14,53 18,77 19,39 18,9 них кварцових ампулах протягом 900 годин. Після відпалу зразки гартували у холодній воді. Чистоту отриманих зразків сплавів контролювали рентгенівським методом за дифрактометричними даними, отриманими на порошковому дифрактометрі HZG - 4а (Сu К - випромінювання). Після рентґенофазового аналізу, який підтвердив, що зразки є однофазними і кристалізуються у структурному типі MgAgAs, електроіскровою різкою вирізали зразки правильної геометричної форми для вимірювання термоерс відносно міді і питомого електроопору у діапазоні температур 80 400 К. З отриманих величин питомого електроопору та термоерс розраховували величину силового фак2 2 тору Z*(Z*= / , W/(K m), де - термоерс, питомий електроопір). Одержання сплавів і вибір граничних меж компонентів можна проілюструвати прикладом. Приклад Наважки гафнію йодидного, нікелю, олова і сурми у кількості 50,15; 16,49; 33,19; 0,17 відповідно сплавляли в електродуговій печі з вольфрамовим електродом в захисній атмосфері очищеного аргону. Одержаний злиток піддавали гомогенізуючому відпалу при температурі 800 °С у вакуумованій кварцовій ампулі протягом 900 годин. Після відпалу зразок гартували у холодній воді. Для проведення фазового аналізу із порошку сплаву отримали масив дифрактометричних даних (дифрактометр HZG - 4а, Сu K - випромінювання), розрахунок яких показав, що сплав є однофазним і кристалізується у структурному типі MgAgAs. Потім електроіскровою різкою вирізали зразок правильної геометричної форми (1,01 1,20 6,37 мм) для вимірювання термоерс відносно міді і питомого електроопору у діапазоні температур 80 400 К. Значення силового фактору у даному випадку при 2 температурі 380 К дорівнює 26,27 мкВт/(К см). Результати отриманих величин силового фактора при температурі 380 К та приклади вагових складів сплавів зведено в таблицю. 5 48569 6 Таблиця Приклад Прототип 1 2 3 4 5 6 гафній 50,15 50,15 50,15 50,14 50,13 50,12 50,11 Склад матеріалу, мас. % нікель олово 16,49 33,19 16,49 33,36 16,49 33,02 16,49 32,35 16,48 31,68 16,48 31,00 16,48 29,99 сурма 0,17 0,34 1,03 1,71 2,40 3,42 Силовий фактор 2 мкВт/(К ·см) (при 380 К) 18,0 26,27 22,93 23,86 18,29 15,45 15,95 Наведені приклади підтверджують одержання передбачуваного технічного результату. Комп’ютерна верстка І.Скворцова Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601