Спосіб підвищення термоелектричної ефективності евтектичного сплаву системи snse2-tlbise2

Реферат: Спосіб підвищення термоелектричної ефективності евтектичного сплаву системи SnSe2-TlBiSe2 полягає в тому, що використовують матеріал складу (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45, який формують у вигляді пресованого полікристалічного брикету, при цьому його термоелектрична добротність зростає на 30 %. UA 91278 U (12) UA 91278 U UA 91278 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до галузей альтернативної енергетики, неорганічного матеріалознавства та неорганічної хімії. Її можна використовувати при виробництві високоефективних середньотемпературних термоелектрогенераторів, які дозволяють перетворювати теплову енергію в електричну. Ідентичною за вихідним складом, але відмінною за способом одержання та термоелектричними властивостями є евтектична композиція Tl0,45Bi0,45Sn0,55Se2 = (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 [1] - найближчий аналог (прототип). Недоліком прототипу є порівняно невисоке значення термоелектричної добротності, технологічні складності та досить висока енергетична витратність одержання. В основу корисної моделі поставлено задачу, що полягає в підвищенні ефективності термоелектричного енергоперетворення зазначеного матеріалу на основі евтектичного сплаву (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 шляхом покращення його термоелектричної добротності та спрощення технологічного процесу одержання. Поставлена задача вирішується таким чином, що спосіб підвищення термоелектричної ефективності евтектичного сплаву системи SnSe2-TlBiSe2, згідно з корисною моделлю, матеріал складу (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 одержують у вигляді пресованого полікристалічного брикету, а його термоелектрична добротність при цьому зростає на 30 %. Переваги запропонованого способу: відсутність потреби у спеціальних ростових печах та контейнерах відповідної форми, менш енерговитратні для практичної реалізації температурні режими синтезу, при цьому особливо цінним є підвищення термоелектричної ефективності вибраного матеріалу. Приклад. Згідно з традиційними підходами [2], матеріали на основі евтектичних сплавів одержують у вигляді евтектичних композицій (ЕК) методом спрямованої кристалізації. У роботі [1] нами розроблено близькі до оптимальних технологічні режими спрямованої кристалізації ЕК вихідного складу (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45. Особливості вирощування зазначеної композиції полягали у наступному. Шихту стехіометричного складу (55 мол. % SnSe2+45 мол. % TlBiSe2) розплавляли у кварцових ампулах спеціальної форми, розплав витримували дві доби та спрямовано кристалізували в двозонній печі. Наявність верхньої "гарячої" та нижньої "холодної" зон дозволяла впливати на аксіальний температурний градієнт та здійснювати у сприятливих умовах наступний відпал. При цьому швидкість переміщення фронту кристалізації складала 5 мм/доб., аксіальний градієнт температури в зоні кристалізації - 3-5 К/мм, охолодження до кімнатної температури здійснювали зі швидкістю 30 К/год. Загальний вигляд спрямовано закристалізованої ЕК наведено на Фіг. 1. Термоелектричну добротність даної ЕК досліджували методом Хармана [3] в температурному інтервалі 300-600 К на вирізаному з середньої частини сплаву циліндричному зразку (розмірами d=1,5 мм, l=11,7 мм). Максимальне значення термоелектричної добротності -3 -1 (ZTmax) складало 1,52×10 К при 564 К [1] (таблиця). Таблиця Спосіб підвищення термоелектричної ефективності евтектичного сплаву системи SnSe2-TlBiSe2 Матеріал (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 (евтектична композиція) [1] (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 (пресований полікристал) дослідження] -3 -1 ZTmax×10 , К 1,52 (564 К) [дане 1,95 (536 К) 40 45 50 Розглянутий спосіб [1] одержання термоелектричного матеріалу складу (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 дозволяє отримувати щільні та однорідні зразки, які характеризуються досить високою термоелектричною ефективністю. Однак, використані при цьому підходи не є досконалими, що спонукало нас до їх покращення. Зокрема реалізація процесу спрямованої кристалізації потребує наявності кільказонних печей із відповідними механізмами переміщення ампули, існує потреба у виготовленні ростових контейнерів певної форми та розробці близьких до оптимальних температурних режимів одержання необхідного матеріалу. Крім цього однорідні, спрямовано закристалізовані зразки можуть поступатися величиною термоелектричної добротності аналогічним за складом, але пресованим полікристалічним матеріалам [4]. Це обумовлено тим, що значне розсіювання теплових фононів на границях спресованих кристалітів призводить до зниження теплопровідності масивних полікристалів [4]. 1 UA 91278 U Згідно з класичним виразом [5], термоелектрична добротність матеріалу ( Z T ) суттєво залежить від його теплопровідності (  ): 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2   ZT  T  де  T - коефіцієнт термо-ЕРС, мкВ/К;  - питома електропровідність, См/м;  - питома теплопровідність, Вт/м×К. Очевидно, що зменшення  може призводити до збільшення Z T . Виходячи із викладеного вище, було запропоновано новий підхід в отриманні термоелектричного матеріалу на основі евтектичного сплаву (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45. He застосовуючи спрямованої кристалізації, зазначений зразок одержували однотемпературним методом синтезу, що використовувався при дослідженні взаємодії компонентів у системі SnSe2TlBiSe2 [6]. Такий підхід цілком виправданий, адже науковою основою одержання перспективних матеріалів служить рівноважна діаграма стану відповідної системи. Вихідні компоненти (SnSe2 і TlBiSe2) стехіометричного співвідношення поміщали у кварцову ампулу традиційної форми, яку вакуумували до 0,13 Па та нагрівали в однозонній печі опору до максимальної температури 1053 К. Витримавши розплав при цих умовах 2 доби, здійснювали його повільне охолодження в два етапи: спочатку зі швидкістю 50 К/годину до температури відпалу (423 К), при якій гомогенізували зразок протягом 12 діб, а потім до кімнатної температури в режимі виключеної печі. Ідентифікацію отриманого сплаву здійснювали методом диференційного термічного аналізу (ДТА). Крива нагрівання на термограмі характеризувалася одним чітким ендотермічним ефектом при температурі 726±5 К, що відповідає сплаву евтектичного складу (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 [1, 6]. Зазначений матеріал отримували у вигляді полікристалічного брикету, внаслідок подрібнення сплаву в порошок та наступного його пресування у формі циліндра (розмірами d=9,0 мм, l=4,1 мм). Термоелектричні властивості досліджували методом Хармана [3] у температурному інтервалі 300-600 К. Максимальне значення термоелектричної добротності -3 -1 (ZTmax) складало 1,95×10 К при 536 К (Табл. 1). Порівняння температурної залежності термоелектричної добротності двох зразків складу (SnSe2)0.55(TlBiSe2)0.45 (евтектичної композиції та пресованого полікристалу) наведено на Фіг. 2. Необхідно відзначити, що подрібнений та спресований полікристалічний брикет евтектичного складу (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 практично в усьому дослідженому температурному інтервалі перевищує за термоелектричною ефективністю аналогічну за складом однорідну евтектичну композицію. Максимальне значення термоелектричної добротності пресованого -3 -1 полікристалу складало 1,95×10 К при температурі 536 К, що суттєво перевищує відповідний -3 -1 показник спрямовано закристалізованої композиції (1,52×10 К при 564 К). Застосування запропонованого способу одержання полікристалічного матеріалу на основі евтектичного сплаву (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45 підвищує його ефективність за термоелектричними та економічними характеристиками. Зростає конкурентоспроможність зразків зазначеного складу при їх можливому використанні в ролі робочих елементів термоелектрогенераторів. Корисна модель може бути використана для генерації електроенергії з відпрацьованого тепла металургійних комбінатів, підприємств хімічної промисловості, АЕС, ТЕС, двигунів внутрішнього згорання тощо. Джерела інформації: 1. Пат. 94673 Україна, МПК H01L 35/14. Термоелектричний матеріал / Козьма А.А., Переш Є.Ю., Барчій І.Є., Сабов М.Ю., Цигика В.В., Беца В.В., Галаговець І.В.; заявник і патентовласник ДВНЗ "УжНУ". - № а201004972; заявл. 26.04.10; опубл. 25.05.11, Бюл. №10. - прототип. 2. Сомов А.И. Эвтектические композиции / А.И. Сомов, М.А. Тихоновский. - М.: Металлургия, 1975. - 304 с. 3. Harman T.C. Measurement of thermal conductivity by utilization of the Peltier effect / T.C. Harman, J.H. Cahn, M.J. Logan // J. Appl. Phys. - 1959. - V.30, № 9. - P. 1351-1359. 4. Гольцман Б.М. Исследование влияния пор и границ зерен на электропроводность и теплопроводность термоэлектрических материалов / Б.М. Гольцман, В.Ш. Саркисян, Л.С. Стильбанс, В.В. Шлыков // Изв. АН СССР. Неорг. матер. - 1969. - Т.5, № 2. - С. 283-286. 5. Дмитриев А.В. Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов / А.В. Дмитриев, И.П. Звягин // Успехи физ. наук. - 2010. - Т.180, № 8. - С. 821-838. 2 UA 91278 U 6. Козьма А.А. Фазові рівноваги на квазібінарних перерізах квазіпотрійної системи Tl2SeSnSe2-Bi2Se3 / А.А. Козьма, Є.Ю. Переш, І.Є. Барчій, В.В. Цигика // Укр. хім. журн. - 2010. - Т.76, № 4. - С. 80-84. 5 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб підвищення термоелектричної ефективності евтектичного сплаву системи SnSe2-TlBiSe2, який відрізняється тим, що використовують матеріал складу (SnSe2)0,55(TlBiSe2)0,45, який формують у вигляді пресованого полікристалічного брикету, при цьому його термоелектрична добротність зростає на 30 %. 3 UA 91278 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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