ЭКСПРЕСС-МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
https://doi.org/10.21822/2073-6185-2018-45-1-49-59
Аннотация
Цель. В последнее время отмечено резкое повышения интереса исследователей к термоэлектричеству (ТЭ) и его приложениям. Предложены новые конструкции термоэлектрических преобразователей (ТЭП), получено большое число новых термоэлектрических материалов (ТЭМ) с термоэлектрической добротностью Z= a2s/k, повышенной методом нанотехнологий (НТ). (Здесь a, s и k - коэффициент термо-э.д.с., удельные электропроводность и теплопроводность). В результате возникла необходимость резкого повышения производительности труда исследователей, работающих в ТЭ отрасли, в особенности при определении характеристик термоэлектрических материалов и термоэлектрических преобразователей, а также при обработке возросшего объема литературных данных. Целью настоящей работы является разработка комплекса методик экспресс-анализа характеристик термоэлектрических материалов и термоэлектрических преобразователей, позволяющая повысить производительность труда исследователей, работающих в ТЭ отрасли.
Метод. Проблема решалась путем подбора известных и создания новых методик исследования ТЭМ и ТЭП, в основе которых лежат нестационарные принципы измерений и компьютерные расчеты.
Результат. Результатом работы было расширение возможностей известных методов термозонда и Хармана, используемых для измерений параметра Z и его составляющих (a, s и k). Метод Хармана в работе распространен на многокаскадные модули и допускает пассивную компенсацию тепловых потерь при измерениях на воздухе (включение термопар (ТП) «голова к голове»). Разработаны методики оценки ширины запрещенной зоны Еg ТЭМ по кривым Z= f (T), а также расчета ТЭП с использованием правила Ленца. Предложен метод диагностики фазы «фононное стекло - электронный кристалл» (ФСЭК) (1~ lph/a << λe/a) путем определения средних длин свободного пробега фононов ph и электронов λe. (Здесь a= 3 нм – кратчайшее межатомное расстояние). Развит метод автоэлектрохимического легирования термоэлектрических материалов, а также диагностики наноструктур (НС) путем определения зависимостей «физическое свойство – период идентичности x НС». Приведены примеры использования разработанных методик для анализа характеристик термоэлектрических материалов и термоэлектрических преобразователей.
Вывод. Показана возможность резкого повышения производительности труда исследователей, работающих в ТЭ отрасли. Работа выполнялась по государственному заданию № 007-00129-18-00.
Об авторах
Е. С. АвиловРоссия
Коржуев Михаил Александрович – ведущий научный сотрудник, кандидат физико-математических наук.
119334, Москва, Ленинский пр., 49
М. А. Коржуев
Россия
Авилов Евгений Семенович - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук.
119334, Москва, Ленинский пр., 49
М. А. Кретова
Россия
Кретова Марина Анатольевна - научный сотрудник.
119334, Москва, Ленинский пр., 49
Список литературы
1. Nolas G.S., Sharp J., Goldsmid H.J. Thermoelectrics. Basic Principles and New Materials Developments. Berlin: Springer. 2001. 293 р.
2. Kaumoto С.K., Mori T. Thermoelectric Nanomaterials. Berlin: Springer. 2013. 387 p.
3. Goldsmid H. J.. Introduction to Thermoelectricity. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 2016. 278 p.
4. Анатычук Л.И. Вступитальное слово на XIV Международном форуме по термоэлектричеству (17-20 мая 2011, Москва) // Термоэлектричество. 2011. №2. C.89- 93.
5. Филин С.О. XVII Международный термоэлектрический форум (17-20 мая 2017, Белфаст) // Холодильный бизнес. 2017. №6. C. 36- 39.
6. Slack G. New materials and performance limits for thermoelectric cooling // CRC Handbook of Thermoelectrics. Ed.: Rowe D.M. N.Y. Boca Raton. 1995. P. 407- 440.
7. Harman T.C., Taylor P.J., Walsh M.P., LaForge B.E. Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices. Science. 2002. V. 297. P. 2229- 2232.
8. Ventkatasubramanian R., Siivola E., Colpitts T., O'Quinn B. Thin-film thermoelectric devices with high roomtemperature figures of merit // Nature. 2001. V. 413 (6856). P. 597- 602.
9. Snyder G.J., Toberer E.S. Complex thermoelectric materials // Nature Materials. 2008.V.7. P.105- 114.
10. Sootsman J. R., Xhung D. Y., Kanatzidis M.G. New and Old Concepts in Thermoelectric Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 2009. V.47. P.8616- 8639.
11. Сгибнев И.В., Копылов А.П. Термоэлектричество // Энергия: экономика, техника, экология. 2017. № 12. С.31- 36.
12. Булат Л.П., Пшенай-Северин Д.А., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пархоменко Ю.Н., Бланк В.Д., Пивоваров Г.И., Бублик В.Т., Табачкова Н.Ю. Механизмы увеличения термоэлектрической эффективности в объемных наноструктурных поликристаллов // Термоэлектричество. 2011. № 1. C.14-19.
13. Коржуев М.А., Свечникова Т.Е. Термодинамические ограничения полезной мощности автомобильных термоэлектрических генераторов и перспективы их использования на транспорте // Термоэлектричество. 2013. №3. С.58- 75.
14. Harman T.C., Honig J..M.. Thermoelectric and Thermomagnetic effects and applications. N.Y.: Mc-Grow Hill. 1967. 378 p.
15. Авилов Е. С., Коржуев М. А., Кретова М. А., Михайлова А. Б. Термоэлектрическая добротность и магнитотворная способность ―естественных‖ наноструктур PbBi2(Te1xSex)4+δ и PbBi4(Te1-xSex)7+δ // Перспективные материалы. 2015. № 12. С.15-26.
16. Коржуев М.А., Катин И.В., Кретова М.А., Авилов Е.С. Особенности зонной структуры слоистых кристаллов семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)] m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3] n (m, n= 0,1, 2…). // Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.57-63.
17. Korzhuev M. A., Avilov E. S., Nichezina I. Yu. Nonstandard Harman response at the separate measurement of stages of multicascade thermoelectric modules // JEMS. 2011. V.40. №5. P. 733- 737.
18. Коржуев М.А. Термоэлектрические наноструктуры. За и против // Термоэлектричество. 2013. №5. С.11- 24.
19. Киселева Н.Н., Дударев В.А., Коржуев М.А. База данных по ширине запрещенной зоны неорганических веществ и материалов // Материаловедение. 2015. №7. С.3- 8.
20. Кретова М.А., Коржуев М.А. Оценка ширины запрещенной зоны ряда новых термоэлектрических материалов // ФТП. 2017. Т.51. №7. C. 940- 943.
21. Кретова М.А., Коржуев М.А., Авилов Е.С. Электрохимические исследования процессов легирования медью слоистых кристаллов семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)] m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3] n (m, n= 0, 1, 2…).// ФТП. 2017. Т.51. №7. C. 937 -939.
22. Korzhuev M. A., Katin I.V. Diagnostics of the phase ―phonon glas – electron crystals‖ (PGEC) in thermoelectric materials // Physics, chemistry and application of nanostructures. New Jersey - London: Word Scientific. 2015. P. 107-110.
23. Коржуев М.А., Катин И.В. Вырождение фазы «фононное стекло-электронный кристалл (ФСЭК) в слоистых кристаллах семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)] m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3] n (m, n= 0, 1, 2…) // Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.134- 139.
24. Коржуев М.А., Катин И.В., Кретова М.А., Авилов Е.С. Об устойчивости «искусственных» и «естественных» наноструктур термоэлектрических материалов на основе Bi2Te3. // Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.51- 56.
25. Коржуев М.А., Михайлова А.Б., Кретова М.А., Авилов Е.С. Анализ кристаллической структуры сплавов семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)] m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3] n (m, n= 0, 1, 2…) в рамках теории плотнейших шаровых упаковок // ФТП. 2017. Т.51. №8. C. 1011- 1013.
26. Коржуев М.А., Катин И.В., Кретова М.А., Авилов Е.С. Термоэлектрические свойства и магнитотворная способность термопар на основе «естественных» наноструктур - слоистых кристаллов семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)]m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3]n (m, n= 0, 1, 2…). // Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.146-151
27. Ленц Э.Х. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР. 1950. С.361-449.
28. Коржуев М.А. Правило Ленца для термоэлектрических преобразователей энергии, работающих в режиме максимальной мощности» // Термоэлектрики и их применения. СПб: ПИЯФ. 2015. C.447- 452.
29. Коржуев М.А. Использование правила Ленца для экспресс- расчетов тепловых и электрических цепей термоэлектрических модулей // Термоэлектрики и их применения.. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.226-231.
Рецензия
Для цитирования:
Авилов Е.С., Коржуев М.А., Кретова М.А. ЭКСПРЕСС-МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2018;45(1):49-59. https://doi.org/10.21822/2073-6185-2018-45-1-49-59
For citation:
Avilov E.S., Korzhuev M.A., Kretova M.A. EXPRESS METHODS FOR ANALYSING THERMO-ELECTRIC MATERIALS AND CONVERTER CHARACTERISTICS. Herald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences. 2018;45(1):49-59. (In Russ.) https://doi.org/10.21822/2073-6185-2018-45-1-49-59