Термоелектричний сплав

Термоелектричний сплав містить сурму І нікель, який в і д р і з н я є т ь с я тим. що в його склад додатково введено залізо І титан при наступному співвідношенні компонентів, ваг. %: Винахід відноситься до металургії, зокрема, до пошуку нових Інтерметалічних термоелектричних сплавів І може бути використаний при виготовленні термоелектричних приладів в якості термоелектричного матеріалу або в термоелектрогенераторах для прямого перетворення тепловоТ енергії в електричну. ВІДОМІ перспективні термоелектричні матеріали для термогенераторів - тверді розчини СИЛІЦИДІВ нікелю в моносиліциді кобальту складу Coo.97Nio.03Sl, Coo.99Nlo.oiSI, Coo,96Nlo,04Sl, C00.93NI0.07SI (Кайданов В.И., Зайцев В.К., Федоров М.И., Целищев В.А. Зонная структура и физические свойства моносилицидов Зй-переходных металлов. // Ленинград. ФТИ АН СССР. Препр. № 890. - 1984. - С. 67), 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 — 8 0 мкВ/К). Відома термоелектрорушійна сила подвійних нікелевих сплавів при високих температурах, зокрема сплавів нікелю І титану (Бейлин В.М,. Зейналов Т.И., Рогельберг И.Л. Термоелектродвижущая сила двойных никелевых сплавов при высоких температурах // Научн. тр. Н-и и проекти, и проекти, ин-т сплавов и обработки цвети, мет. - 1976. - Вып. 51. - С. 16-35.) в області температур 77-1200 К при наступному вмісті компонентів, ваг. %: Титан 2,3; 4,0; 8,2; 10,8 Нікель Решта Недоліком цих подвійних нікелевих сплавів є невелика абсолютна термоелектрорушійна сила навіть при максимальних досягнутих температурах, що дорівнює -20 мкВ/град. Нікель Сурма Залізо Титан 2,60 - 10,35 53,70-53,95 14,80-22,25 Решта оо ю ю 17822 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. Низкотем- 5 пературная термоЭДС двойных сплавов никеля с переходными металлами // Физ. мет. и металовед. - 1974. -Т. 38. - № 6. - С. 1315-1318.), що містять, ваг. %: 10 Титан 2,3; 8,2 Нікель Решта Недоліком цих сплавів є мала абсолютна величина термоелектрорушійної сили в досліджуваному Інтервалі температур, що не перевищує +5,5 мкВ/град позитивних І 15 -2 мкВ/град негативних Значень термоерс. Відома термоелектрорушійна сила деяких церієвих сполук, зокрема CeNte (Sakural J., Ohyama Т., Komura Y. Thermoelectric power of some Ce-compounds of the dilute 20 Kondo type // J. Magn. and Magn. Mater. 1987. V. 63-64. P. 578-580.), що містять церій І нікель при такому співвідношенні компонентів, ваг. %: 25 Церій 70,48 Нікель Решта Недоліком цих сплавів є невелике значення термоелектрорушійної сили, що в максимумі не досягає 20 мкВ/К при темЗО пературі біля 200 К. Відома термоелектрорушійна сила сполуки CeNI (Брандт Н.Б., Мощалков В.В., Слученко Н.Е., Гаптус А.А., Шкатова Т.М. Электрические и термоэлектрические свойства соединений CexNiy // ФТТ. 1985. Т. 27. 35 В.8. С. 2484-2487), що містить церій І нікель при наступному співвідношенні компонентів, ваг. %: Церій 70,48 40 Нікель Решта Недоліком відомої сполуки є невелика термоелектрорушійна сила, яка досягає максимальної величини 40 мкВ/град І спадає при підвищенні температури. Відомі термоелектричні властивості ан- 45 тимонідів рідкісноземельних елементів складу Ln5Sb3 (Абдусалемова М.Н., Абдулхаєв В.Д., Гончарова Е.В., и др. Электрические свойства антимонидов РЗЭ состава LnsSb3 (Ln=Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho) 50 // ФТТ, - 1982. - T. 24. - B.3. - С 752-756.), що містять один Із елементів групи лантану (неодим, самарій, гадоліній, тербій, диспрозій або гольмій) І сурму при наступному співвідношенні компонентів, ат. %: 55 Один Із елементівлантаноїдів (неодим, самарій, гадоліній, тербій, диспрозій або гольмій) 62,5 Сурма Решта 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. Відома термоелектрорушійна сила нікелевого сплаву для негативного електрода термопар (авт. св. СССР № 345223, кл. С 22 с 17/00), що містить алюміній, кремній, марганець, цирконій, лантан при наступному ВМІСТІ компонентів, %• Алюміній 2,7-4,5 Кремній 0,8-2,4 Марганець 0,02 - 0,75 Цирконій 0,01 - 0,3 Лантан 0.01-0,1 Нікель Решта Недоліком цього нікелевого сплаву є невелика диференційна термоелектрорушійна сила, що у парі з відомим сплавом системи Nl-Cr-SI (позитивний електрод) дорівнює 35мкВ/град. Відомий матеріал для термопар І термоелементів (авт. св. СССР fsfe 1797423, кл. Н 01 L 35/14), що містить нікель, гафній, олово І кобальт при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: Гафній 49,64 - 50,64 Олово 32,84 - 33,84 Кобальт 6,12-7,12 Нікель Решта Недолікомвідомого матеріалу для термопар І термоелементів с невелике значення диференційної термоерс, що складає, максимально, 67 мкВ/К. Найбільш близьким, по технічному вирішенню, прототипом, є сплав системи галій - нікель - сурма (Леонов В.В., Кравцов Н.Н. Свойства сплавов тройной системы InSb - GaSb - NISb // Изв. АН СССР. Неорганич. матер. - 1983. -Т. 19. - № 9. - С. 1583 - 1584), що містить, ваг. %: Галій 32,40 - 34,22 Сурма 64,02 - 63,83 Нікель Решта Недоліком відомих сплавів є те, що у всій вказаній області Існування їх термоелектрорушійна сила не перевищує 42 мкВ/К. Технічне завдання - створити такий матеріал, який дозволив би підвищити позитивну термоелектрорушійну силу. Поставлене завдання досягається таким чином, що у запропонований сплав, який містить сурму І нікель, згідно винаходу, додатково введено залізо І титан при наступному співвідношенні компонентів, ваг. %: Нікель 2.60-10,35 17822 Сурма 53,70-53,95 Залізо 14,80-22,25 Титан Решта Збільшення величини коефіцієнту термоерс відбувається завдяки 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 MgAgAs. Причому в кристалічній гратці частина атомів одного з компонентів, заліза, заміщена на нікель. Це заміщення, при певномі вміст! нікелю, І приводить до позитивного значення величини термоерс. Композиції сплавів для опробування одержували сплавленням вихідної шихти в електродуговій печі з вольфрамовим електродом в захисній атмосфері аргону. V якості вихідних компонентів використовувались: титан йодидний, залізо карбонільне, нікель марки НО І сурма марки Су. Наважки компонентів сплавляли в електродуговій печі. Одержані злитки відпалювали при температурі 600°С в евакуйованих кварцевих ампулах. Зразки Ідентифікувались з допомогою рентгеноструктурного аналізу (використовувався дифрактометр ДРОН-2,0). Після чого на електроіскровій різці вирізались зразки правильноТ геометричноТ форми для вимірювання диференцІйноТ термоерс ВІДНОСНО МІДІ. П р и к л а д 1. Наважки титану йодидного, заліза карбонільного, нікелю марки НО І сурми в КІЛЬКОСТІ 0,420 г, 0,049 г, 0,463 г І 1,067 г відповідно сплавлялись в електродуговій печі. Злитки відпалювались у вакуумі напротязі 500 годин при 600°С. Після Ідентифікації з допомогою рентгеноструктурного аналізу Із злитка вирізались зразки, на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно МІДІ, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює -31 мкВ/К. П р и к л а д 2. Наважки титану йодидного, заліза карбонільного, нікелю марки НО ї сурми в КІЛЬКОСТІ 0,421 г, 0,098 г, 0,412 г І 1,069 г відповідно сплавлялись в дуговій печі. Після плавки злитки піддавались гомогенізуючому відпалу у вакуумі напротязі 500 годин при температурі 600°С. Із Ідентифікованих з допомогою рентгеноструктурного аналізу злитків вирізались зразки, на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно МІДІ, значення якоТ при 400 К у даному випадку дорівнює -37 мкВ/К. •5 10 15 20 П р и к л а д 3. Наважки титану йодидного, заліза карбонільного, нікелю марки НО І сурми в кількості 0,422 г, 0,197 г, 0,310 г І 1,072 г ВІДПОВІДНО сплавлялись в електродуговій печі. Злитки відпалювались у вакуумі напротязі 500 годин при 600°С. Після Ідентифікації з допомогою рентгеноструктурного аналізу Із злитка вирізались зразки, на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно міді, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює -68 мкВ/К. П р и к л а д 4. Наважки титану йодидного, заліза карбонільного, нікелю марки НО 1 сурми в кількості 0,424 г, 0,445 г, 0,052 г І 1,078 г ВІДПОВІДНО сплавлялись в електродуговій печі. Злитки піддавались гомогенізуючому відпалу у вакуумі напротязі 500 годин при 600°С. Після Ідентифікації з допомогою рентгеноструктурного аналізу Із злитка вирізались з р а з к и , на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно міді, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює +72 мкВ/К. 25 ЗО 35 40 45 50 П р и к л а д 5. Наважки титану йодидного, заліза карбонільного, нікелю марки НО І сурми в КІЛЬКОСТІ 0,423 г, 0,296 г, 0,207 г І 1,074 г відповідно сплавлялись в електродуговій печі. Злитки відпалювались у вакуумі напротязі 500 годин при 600°С. Після ідентифікації з допомогою рентгеноструктурного аналізу Із злитка вирізались зразки, на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно міді, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює +83 мкВ/К. П р и к л а д 6. Наважки титану йодидного, заліза карбонільного, нікелю марки НО І сурми в КІЛЬКОСТІ 0.423 г, 0,321 г, 0,181 г І 1,075 г відповідно сплавлялись в дуговій печі. Після плавки злитки піддавались гомогенізуючому відпалу у вакуумі напротязі 500 годин при температурі 600°С. Із Ідентифікованих з допомогою рентгеноструктурного аналізу злитків вирізались зразки, на яких вимірювалась диференційна термоерс відносно міді, значення якої при 400 К у даному випадку дорівнює +118 мкВ/К. Результати помірів диференційної термоерс відносно міді та приклади вагових складів сплавів зведено у таблицю. 55 Як видно з таблиці велике позитивне значення термоерс досягається за рахунок того, що у сплав, який містить галій, нікель І сурму додатково ввели титан І залізо при певному співвідношенні компонентів 17822 3) значення термоерс стає негативним, що не відповідає технічному завданню. (приклади 4, 5, 6). При відхилені складу сплавів від запропонованого (приклади 1,2, о 8 Склад матеріалу, мас. % Значення диференційноТ Приклад Титан Залізо Нікель Сурма Галій термоерс при 400 К, мкВ/К 1 21,00 2,45 23,15 53,40 -31 2 3 21,05 4,90 20,60 53,45 -37 21,10 9,85 15,50 53,55 -68 +72 4 21,20 22,25 2,60 53,95 5 21,15 14,80 10,35 53,70 +83 б 21,15 16,05 9,05 53,75 +118 Прототип решта Упорядник Замовлення 4252 Техред М. Келемеш 64,02-63,83 32,40-34,22 +42 Коректор М. Самборська Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53. Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент1*, м. Ужгород, вул.ГагарІна, Ю1