Lämpösähköiset materiaalit ja menetelmät niiden valmistamiseksi
Lämpösähköisiä materiaaleja ovat kemialliset yhdisteet ja metalliseokset, jotka ovat enemmän tai vähemmän korostuneita. lämpösähköiset ominaisuudet.
Saadun lämpö-EMF:n arvosta, sulamispisteestä, mekaanisista ominaisuuksista sekä sähkönjohtavuudesta riippuen näitä materiaaleja käytetään teollisuudessa kolmeen tarkoitukseen: lämmön muuntamiseen sähköksi, lämpösähköiseen jäähdytykseen. (lämmönsiirto sähkövirtaa ohjattaessa) ja myös lämpötilan mittaamiseen (pyrometriassa). Useimmat niistä ovat: sulfidit, karbidit, oksidit, fosfidit, selenidit ja telluridit.
Joten lämpösähköisissä jääkaapeissa he käyttävät vismuttitelluridi... Piikarbidi soveltuu paremmin lämpötilojen ja c lämpösähköiset generaattorit (TEG) Useiden materiaalien on havaittu olevan käyttökelpoisia: vismuttitelluridi, germaniumtelluridi, antimonitelluridi, lyijy-telluridi, gadoliniumselenidi, antimoniselenidi, vismuttiselenidi, samariummonosulfidi, magnesiumsilikidi ja magnesiumstaniitti.
Näiden materiaalien hyödylliset ominaisuudet perustuvat kahdesta vaikutuksesta – Seebeckistä ja Peltieristä… Seebeck-ilmiö muodostuu lämpö-EMF:n ilmestymisestä sarjaan kytkettyjen eri johtojen päihin, joiden väliset koskettimet ovat eri lämpötiloissa.
Peltier-ilmiö on Seebeck-ilmiön vastakohta ja koostuu lämpöenergian siirtymisestä, kun sähkövirta kulkee eri johtimien kosketuspisteiden (liitoskohtien) läpi johtimesta toiseen.
Jossain määrin nämä vaikutukset ovat yksi vuodesta näiden kahden lämpösähköisen ilmiön syy liittyy kantovirtauksen lämpötasapainon häiriöön.
Seuraavaksi tarkastellaan yhtä suosituimmista ja halutuimmista lämpösähköisistä materiaaleista - vismuttitelluridia.
On yleisesti hyväksyttyä, että materiaalit, joiden käyttölämpötila-alue on alle 300 K, luokitellaan matalan lämpötilan lämpösähköisiksi materiaaleiksi. Silmiinpistävä esimerkki tällaisesta materiaalista on yksinkertaisesti vismuttitelluridi Bi2Te3. Sen perusteella saadaan monia lämpösähköisiä yhdisteitä, joilla on erilaiset ominaisuudet.
Vismuttitelluridilla on romboedrinen kristallografinen rakenne, joka sisältää joukon kerroksia - kvintettit - suorassa kulmassa kolmannen asteen symmetria-akseliin nähden.
Bi-Te kemiallisen sidoksen oletetaan olevan kovalenttinen ja Te-Te-sidoksen on Waanderwal. Tietyn tyyppisen johtavuuden (elektroni tai reikä) saavuttamiseksi lähtöaineeseen syötetään ylimäärä vismuttia, telluuria tai seostetaan aineeseen epäpuhtauksia, kuten arseenia, tinaa, antimonia tai lyijyä (akseptorit) tai luovuttajia: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .
Epäpuhtaudet antavat erittäin anisotrooppisen diffuusion, sen nopeus katkaisutason suunnassa saavuttaa nesteiden diffuusionopeuden.Lämpötilagradientin ja sähkökentän vaikutuksesta epäpuhtaus-ionien liikettä havaitaan vismuttitelluridissa.
Yksittäisten kiteiden saamiseksi niitä kasvatetaan suuntakiteytysmenetelmällä (Bridgeman), Czochralskin menetelmällä tai vyöhykesulatuksella. Vismuttitelluridiin perustuville seoksille on ominaista selvä kiteen kasvun anisotropia: kasvunopeus halkeamistasolla ylittää merkittävästi kasvunopeuden kohtisuorassa tätä tasoa vastaan.
Termoparit valmistetaan puristamalla, suulakepuristamalla tai jatkuvalla valulla, kun taas lämpösähköiset kalvot valmistetaan perinteisesti tyhjiöpinnoituksella. Vismuttitelluridin vaihekaavio on esitetty alla:
Mitä korkeampi lämpötila, sitä pienempi on lejeeringin lämpösähköinen arvo, koska sisäinen johtavuus alkaa vaikuttaa, joten korkeissa lämpötiloissa, yli 500-600 K, tätä loistoa ei voida käyttää pelkästään kielletyn alueen pienen leveyden vuoksi.
Jotta Z:n lämpösähköinen arvo olisi maksimaalinen myös ei kovin korkeissa lämpötiloissa, seostus tehdään mahdollisimman hyvin siten, että epäpuhtauspitoisuus on pienempi, mikä varmistaisi alhaisemman sähkönjohtavuuden.
Konsentraation alijäähtymisen estämiseksi (lämpösähköisen arvon aleneminen) yksittäiskiteen kasvatusprosessissa käytetään merkittäviä lämpötilagradientteja (jopa 250 K / cm) ja hidasta kiteen kasvunopeutta - noin 0,07 mm / min.
Vismutti ja vismuttilejeeringit antimonin kanssa kiteytyessään antavat romboedrisen hilan, joka kuuluu dihedriseen scaleneedriin.Vismutin yksikkökenno on muotoiltu romboedriksi, jonka reunat ovat 4,74 angströmiä.
Tällaisen hilan atomit on järjestetty kaksoiskerroksiksi, jolloin jokaisella atomilla on kolme naapuria kaksoiskerroksessa ja kolme viereisessä kerroksessa. Sidokset ovat kovalenttisia kaksikerroksisessa kerroksessa, ja van der Waals sitoutuu kerrosten välillä, mikä johtaa tuloksena olevien materiaalien fysikaalisten ominaisuuksien terävään anisotropiaan.
Vismuttiyksityiskiteitä on helppo kasvattaa vyöhykeuudelleenkiteytyksellä, Bridgman- ja Czochralskin menetelmillä. Antimoni ja vismutti antaa jatkuvan sarjan kiinteitä liuoksia.
Vismutti-antimoniseoksesta valmistettua yksikidettä kasvatetaan ottaen huomioon solidus- ja likviduslinjojen välisen merkittävän eron aiheuttamat tekniset ominaisuudet. Joten sulate voi antaa mosaiikkirakenteen johtuen siirtymisestä alijäähdytettyyn tilaan kiteytysrintamalla.
Hypotermian estämiseksi he turvautuvat suureen lämpötilagradienttiin - noin 20 K / cm ja alhaiseen kasvunopeuteen - enintään 0,3 mm / h.
Vismutin virrankantajien spektrin erikoisuus on, että johtumis- ja valenssikaistat ovat melko lähellä. Lisäksi spektriparametrien muutokseen vaikuttavat: paine, magneettikenttä, epäpuhtaudet, lämpötilan muutokset ja itse seoksen koostumus.
Tällä tavalla voidaan ohjata materiaalissa olevien virrankantajien spektrin parametreja, mikä mahdollistaa materiaalin, jolla on optimaaliset ominaisuudet ja maksimi lämpösähköarvo.
Katso myös:Peltier-elementti - miten se toimii ja kuinka tarkistaa ja liittää