Процес визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом хармана

Реферат: UA 68711 U UA 68711 U 5 10 15 Корисна модель належить до галузі вимірювальної техніки і знайде застосування у виробництві напівпровідників, наприклад, для контролю якості термоелектричних матеріалів. Вона призначена для вимірювання термоелектричної добротності, електропровідності, коефіцієнта термоЕРС та теплопровідності матеріалу. Відомі процеси вимірювання параметрів термоелектричних матеріалів, засновані на методі Хармана, які широко вживаються у лабораторній та виробничій практиці [1-3]. З існуючих аналогів найбільш близьким по технічній суті є процес вимірювання термоелектричних параметрів матеріалів методом Хармана, описаний в роботі [4]. Він полягає в наступному. Досліджуваний зразок прикріплюється до контактних пластин на струмових провідниках, розташованих у термостаті. Після цього вимірюють спад напруги на зразку при пропусканні через нього змінного струму та визначають опір зразка R ≈ змінному струму, вимірюють спад напруги на зразку при пропусканні постійного струму та визначають опір R = постійному струму, вимірюють температури кінців зразка T 1 та Т2 та температуру термостату Т0. Значення термоелектричних властивостей зразка матеріалу, з врахуванням похибок, викликаних переносом тепла струмовими провідниками та випромінюванням, знаходять за формулами:   1  R  R  11   i     Tсер   i  U  U   1 l 2  к R S ; T ; Z . Z 20 25 30 35 40 45 50 55 Теплоперенос по термопарах при цьому можна не враховувати, оскільки в порівнянні з переносом тепла струмовими проводами, він є незначним. Так, для випадку мідних струмових проводів діаметром 0,5 мм і довжиною 10 мм, та термопар хромель-копель з проводами діаметром 0,08 мм і довжиною 25 мм, втрати тепла по струмових проводах в понад 800 разів більші, ніж втрати по термопарах. Однак точність такого процесу вимірювання є недостатньо високою, що пов'язано в першу чергу з тим, що для розрахунку значень поправочних коефіцієнтів γ і, що враховують теплообмін з оточуючим середовищем, необхідно знати велику кількість параметрів - коефіцієнти поверхневого випромінювання зразка, коефіцієнти випромінювання контактних пластин, коефіцієнти випромінювання провідників і їх температурні залежності, а також точні значення електропровідності, теплопровідності матеріалів проводів, коефіцієнт випромінювання стін камери і його температурну залежність, точні геометричні розміри проводів. Тому актуальним є задача створення процесу вимірювання параметрів термоелектричних матеріалів, що дає можливість проводити вимірювання з врахуванням теплообміну з оточуючим середовищем і визначаючи всі необхідні для цього величини в ході одного експерименту. Вказана задача розв'язується тим, що в процесі визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом Хармана після прикріплення зразка до контактних пластин поверхню зразка та контактних пластин покривають тонким однорідним шаром матеріалу з низьким коефіцієнтом випромінювання, а процес вимірювань проводять послідовно двічі при двох різних температурах і визначають величини похибок, викликаних випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, причому температура термостату, при якій проводиться перше вимірювання, є нижчою, ніж температура, при якій проводиться друге вимірювання, і є такою, при якій похибки, викликані випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, незначні і ними можна знехтувати, крім того, струмові провідники виконані з платини. Відповідність критерію "новизна" запропонованій корисній моделі забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для процесу визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом Хармана, яке полягає у тому, що після прикріплення зразка до контактних пластин поверхню зразка та контактних пластин покривають тонким однорідним шаром матеріалу з низьким коефіцієнтом випромінювання, а процес вимірювань проводять послідовно двічі при двох різних температурах і визначають величини похибок, викликаних випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, причому температура термостату, при якій проводиться перше вимірювання, є нижчою, ніж температура, при якій проводиться друге вимірювання, і є такою, при якій похибки, викликані випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, незначні і ними можна знехтувати, крім того, струмові провідники виконані з платини. Тому сукупність ознак, яка не зустрічається ні в одному з існуючих аналогів - в процесі визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом Хармана після прикріплення зразка до контактних пластин поверхню зразка та контактних пластин покривають тонким 1 UA 68711 U 5 10 15 20 25 30 35 однорідним шаром матеріалу з низьким коефіцієнтом випромінювання, а процес вимірювань проводять послідовно двічі при двох різних температурах і визначають величини похибок, викликаних випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, причому температура термостата, при якій проводиться перше вимірювання, є нижчою, ніж температура, при якій проводиться друге вимірювання, і є такою, при якій похибки, викликані випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, незначні і ними можна знехтувати, крім того, струмові провідники виконані з платини. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, її реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку. Запропонований процес визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом Хармана проводять наступним чином. Зразок 1 з термоелектричного матеріалу, наприклад на основі кристалів твердих розчинів Bi-Te-Se-Sb, закріплюється між двома контактними пластинами 2 з високими теплопровідністю та електропровідністю, наприклад мідними, на платинових струмових провідниках 3 у термостаті 4 (рис.). Бічна поверхня зразка та контактних пластин покривається тонким однорідним шаром матеріалу з низьким коефіцієнтом випромінювання 5. Покриття поверхні зразка та струмових провідників шаром матеріалу з низьким коефіцієнтом випромінювання дозволяє значно знизити втрати тепла через випромінювання, а, отже, підвищити точність визначення термоелектричних властивостей матеріалу. При цьому матеріал покриття може бути як не електропровідним, так і електропровідним - через те, що шар тонкий, він практично не впливатиме на проходження струму через зразок. Так, для зразка термоелектричного матеріалу на основі Ві 2Те3 розмірами 3 3x3x5 мм , при температурі понад 600 К похибка визначення термоелектричної добротності без врахування випромінювання може перевищувати 25 % (коефіцієнт випромінювання зразка 0,8), а при покритті поверхні зразка та струмопідводів тонким шаром хрому (коефіцієнт випромінювання хрому ~ 0,2) похибка зменшиться до ~ 6 %. Для більшого підвищення точності процес вимірювань проводять послідовно двічі при двох різних температурах і експериментально визначають величини похибок, викликаних випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, причому температура термостата, при якій проводиться перше вимірювання, є нижчою ніж, температура, при якій проводиться друге вимірювання, і є такою, при якій похибки, викликані випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, незначні і ними можна знехтувати. Такий спосіб дозволяє знизити похибку вимірювань термоелектричної добротності, викликану тепло переносом випромінюванням, до ~ 0,5%. Оскільки при першій температурі вклад випромінювання незначний, то вважається, що все тепло передається по струмових провідниках до термостата теплопровідністю, а отже можна визначити коефіцієнт тепловіддачі К2 по струмових провідниках теплопровідністю, пропускаючи через зразок змінний струм і вимірюючи величини спадів напруги на зразку U1 та на струмових провідниках U2: K2  40 45 50 55 1 Q1  Q2 2 Tсер  Т0 ,   де: Q1=IU1 - тепло Джоуля, що виділяється у зразку, Q2=IU2 - тепло Джоуля, що виділяється у кожному з струмопідводів, Тсер = (Т1+Т2)/2 - середнє значення виміряних температур кінців зразка, Т0 - температура термостату. Температури на кінцях зразка та на термостаті вимірюються за допомогою диференціальних термопар 6, 7 та 8, з нульовим кінцем у посудині Дьюара 9, при температурі 0 °C. Для пропусканя струму через зразок та вимірювання ЕРС термопар та спадів напруги на зразку та струмових провідниках служать стабілізоване джерело живлення 10 та вимірювальний блок 11. При другому значенні температури вимірюють спади напруги на зразку та струмових провідниках, а також температури на кінцях зразка та термостаті, при пропусканні через зразок змінного струму, спад напруги на зразку, спади напруги на струмопідводах до зразка, температури на кінцях зразка та термостаті при пропусканні через нього постійного струму. Визначають омічний спад напруги на зразку Uσ - спад напруги при пропусканні змінного струму або в момент включення струму при використанні постійного струму, та термоЕРСUα - при пропусканні постійного струму. Знаходять значення термоелектричної добротності, коефіцієнта термоЕРС та електропровідності, а також теплопровідності, враховуючи теплопередачу по струмових провідниках та випромінюванням. Для цього, виходячи з закону Відемана-Франца - відношення коефіцієнта теплопровідності металів до електропровідності пропорційне температурі, по результатах вимірювань температур та спадів напруги на зразку та струмових провідниках при двох значеннях 2 UA 68711 U температури Т' та Т" термостата визначають коефіцієнт тепловіддачі по струмових провідниках при температурі Т": K 2 T  K 2 T 5 U2 TT U2 TT . Таким чином загальний потік тепла при вищій температурі можна розділити на потік тепла теплопровідністю по струмопідводах та потік тепла випромінюванням. Оскільки поверхня зразка та контактних пластин покриті однаковим покриттям, то можна використовувати ефективний коефіцієнт теплообміну Кефф випромінюванням при другому значенні температури термостата Т":  K еф 10  20 25 30 35 40 45 50   . Значення термоелектричної добротності, коефіцієнта термоЕРС та електропровідності, а також теплопровідності знаходять за формулами: Z 15  1   Q1   K 2  Tсер  T0  Q2  2    Tсер  T0 U 1 U Tг  Т х  1 Тг  Т х K  K 2 ефф Тг  Т х  2 2 IU   U   I l 2 к U S ; T ; Z . Застосування запропонованого процесу дозволяє підвищити точність вимірювань, розширити температурний інтервал застосування методу Хармана, і, таким чином,отримати більш повну інформацію про якість термоелектричного матеріалу, покращити стан метрології в галузі термоелектрики та при цьому збільшити відсоток виходу придатної продукції при одночасному покращенні її якості. Джерела інформації: 1. Т. С. Harman, J. H. Cahn, and M. J. Logan. Measurement of Thermal Conductivity by Utilization of the Peltier Effect // Journal of Applied Physics, 30(9), pp. 1351-1359 (1959). 2. R. J. Buist. A new methodology for testing thermoelectric materials and devices. Proc. of the th 11 Intern. Conf. on Thermoelectrics, Arlington, Texas, 1992, p. 196-209. 3. Abrutin V., Drabkin I., Osvensky V. Corrections Used when Measuring Materials Thermoelectric th Properties by Harman Method. Proc. Of 8 European workshop on thermoelectric, Kracov, 2004. 4. Anatychuk L. I., Pervozvansky S. V., Razinkov V. V. Precise measurement of cooling th thermoelectric material parameters: methods, arrangements and procedures. Proc. of the 12 Intern, conf. thermoelectrics. Japan, 1993, p.p. 553-564. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Процес визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом Хармана, який складається з прикріплення зразка до контактних пластин на струмових провідниках, розташування їх у термостаті, вимірювання спаду напруги на зразку при пропусканні через нього змінного струму, вимірювання спаду напруги на зразку при пропусканні через нього постійного струму та вимірювань спадів напруги на струмопідводах до зразка, вимірювань температур на кінцях зразка та термостаті і обчислення термоелектричної добротності, електропровідності, коефіцієнта термоЕРС та теплопровідності з врахуванням похибок, викликаних переносом тепла струмовими провідниками та випромінюванням, який відрізняється тим, що після прикріплення зразка до контактних пластин поверхню зразка та контактних пластин покривають тонким однорідним шаром матеріалу з низьким коефіцієнтом випромінювання. 2. Процес визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом Хармана по п. 1, який відрізняється тим, що процес вимірювань проводять послідовно двічі при двох різних температурах і визначають величини похибок, викликаних випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин. 3. Процес визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом Хармана по п. 2, який відрізняється тим, що температура термостата, при якій проводиться перше вимірювання, є нижчою, ніж температура, при якій проводиться друге вимірювання, причому температура термостата при перших вимірюваннях є такою, при якій похибки, викликані випромінюванням з поверхні зразка і контактних пластин, є незначними і ними можна знехтувати. 3 UA 68711 U 4. Процес визначення термоелектричних властивостей матеріалу методом Хармана по п. 1, який відрізняється тим, що струмові провідники виконані з платини. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4