Структура и свойства низкотемпературных термоэлектрических материалов, полученных интенсивной пластической деформацией

• Автор: Богомолов, Денис Игоревич
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

Оглавление
Введение

ГЛАВА 1 Аналитический обзор литературы

1Л Термоэлектричество и термоэлектрические свойства материалов

1.2 Структура и физико-химические свойства В^гТез, Bi2Se3 и Sb2Te3 и твердых растворов на их основе

1.3 Диаграммы состояния

1.4 Анизотропия роста твердых растворов В12Тез - Bi2Se3 и В12Тез - БЬгТез

1.5 Дефекты

1.5.1 Точечные дефекты

1.5.2 Дислокации

1.5.3 Границы
1.6 Методы получения термоэлектрических материалов на основе тройных твердых растворов Bi2Te2-xSex и BixSb2.xTe
1.6.1 Получение термоэлектрических материалов методами кристаллизации из расплава
1.6.1.1 Зонная плавка
1.6.1.2 Метод вертикальной зонной плавки
1.6.1.3 Метод Чохральского
1.6.2 Получение термоэлектрического материала методом прессования порошка
1.6.3 Метод экструзии
1.6.4 Метод Искрового Плазменного Спекания (SPS)
1.6.5 Интенсивная пластическая деформация
1.6.5.1 Интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК)
1.6.5.2 Равноканальное угловое прессование (РКУП)
Выводы по аналитическому обзору литературы
ГЛАВА 2 Методика эксперимента
2.1 Объекты исследования
2.2 Методы исследования структуры термоэлектрических материалов

2.2.1 Рентгеновская дифрактометрия
2.2.2 Методика выполнения измерений на растровом электронном микроскопе
2.2.3 Методика исследования термоэлектрических материалов методом просвечивающей электронной микроскопии
2.3 Измерение свойств термоэлектрических материалов
ГЛАВА 3 Влияние технологических режимов равноканального углового прессования на структуру и свойства низкотемпературных термоэлектрических материалов р- и п-типа проводимости
3.1 Математическое моделирование процесса равноканального углового прессования для низкотемпературных термоэлектрических материалов
3.1.1 Математическая модель
3.1.2 Приближение упругого тела: напряжения, деформации, уравнения
3.1.3 Результаты моделирования
3.2 Исследование формирования структуры в процессе РКУП с тремя каналами
3.3 Исследование однородности структурных и электрофизических характеристик по длине полученного прутка р- и п-типа
3.4 Влияние температурных режимов РКУП на структуру и свойства термоэлектрических материалов
3.5 Выбор режимов температурного отжига для термоэлектрического материала после равноканального углового прессования
Выводы к главе
ГЛАВА 4 Применение интенсивной пластической деформации кручением для низкотемпературных термоэлектрических материалов
4.1 Структура и свойства термоэлектрического материала, полученного методом интенсивной пластической деформацией кручением (ИПДК)
4.2 Стабилизирующий отжиг термоэлектрического материала после ИПДК
Выводы к главе
Основные результаты и выводы:
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Сравнительная таблица технологий получения термоэлектрических материалов на основе халькогенидов висмута и сурьмы

Введение
Актуальность темы
Получение и преобразование энергии - одно из важнейших направлений деятельности современной цивилизации. Большое внимание обращено в этой связи на твердотельные термоэлектрические преобразователи. Они имеют ряд преимуществ перед традиционными электрическими охлаждающими и генераторными устройствами: простота конструкции, экологичность, бесшумность работы, высокая надежность, возможность миниатюризации без потери эффективности. Однако, для по-настоящему широких промышленных применений термоэлектрических преобразователей энергии необходимо существенное повышение их эффективности.
Термоэлектрические материалы работают в условиях переменных температурных градиентов, поэтому твердые растворы на основе халькогенидов висмута и сурьмы, полученные методом кристаллизации из расплава недостаточно механически устойчивы, так как легко разрушаются по плоскостям спайности, что сказывается на сроках службы охлаждающих модулей. Поэтому в настоящее время интерес вызывают термоэлектрические мелкозернистые материалы, которые более механически прочные, чем материалы полученные кристаллизацией из расплава, а увеличение термоэлектрической эффективности, в них можно достичь за счет уменьшения решеточной теплопроводности в результате возрастания рассеяния фононов на границах зерен и структурных дефектах внутри зерен. Одним из способов получения мелкозернистых материалов является интенсивная пластическая деформация (ИПД). Полученные после деформации заготовки обладают большими геометрическими размерами, мелкодисперсной структурой, текстурой, пониженной теплопроводностью, сравнительно высокой механической прочностью, а также устойчивостью к термическим воздействиям.
Цели и задачи диссертационной работы
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы на основе изучения закономерностей формирования структуры и механизмов влияния структуры термоэлектрических материалов на свойства, найти условия и сформулировать принципы получения материала с улучшенными механическими свойствами по сравнению с материалами полученными кристаллизацией из расплава, и высокой термоэлектрической эффективностью (£), а также выяснить перспективность получения термоэлектрических материалов методами

Во время процесса искрового плазменного спекания, теплота сконцентрирована, прежде всего, на поверхности частиц. Рост частицы ограничен из-за скорости процесса и того, что только поверхностная температура частиц повышается быстро.
Усилие прессования играет важную и прог нозируемую роль в ограничении роста частицы. И слишком много и слишком мало давления может отрицательно влиять на процесс. В больших образцах, где требуется высокая плотность, давление обычно увеличивается шаг за шагом, чтобы усилить дегазирование и электрическую диффузию [84].
электрический

джоулево
тепло
разряд.
Рисунок 1.11— путь электро-импульса через порошок[84]
Из нанопорошков термоэлектрических материалов, полученных путем размола в инертной атмосфере с последующим компактированием методом SPS можно получать мелкогабаритные заготовки, пригодные для дальнейшей обработки и сборки модулей. Благодаря высокой скорости спекания, возможно, сохранить исходную наноструктуру. Потеря качества, вследствие отсутствия выраженной текстуры, компенсируется хорошим контактом между зернами (хорошая электропроводность вследствие очистки и активации поверхностей в ходе SPS) и многочисленности межзёренных границ (пониженная теплопроводность).
1.6.5 Интенсивная пластическая деформация.
Необходимо сформулировать несколько требований к методам интенсивной пластической деформации, которые следует учитывать при их развитии для получения наноструктур в объемных образцах и заготовках [85]. Это, во-первых, важность получения ультрамелкозернистых структур, имеющих преимущественно высокоугловые границы зерен, поскольку именно в этом случае происходит качественное изменение свойств материалов. Во-вторых, формирование наноструктур, однородных по всему