ТЕПЛОВЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ПРИ ИСКРОВОМ ПЛАЗМЕННОМ СПЕКАНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Булат Лев Петрович, Пшенай-Северин Дмитрий Александрович, Нефедова Ирина Александровна, Новотельнова Анна Владимировна, Гуревич Юрий Генрихович

2014 , ТОМ 14, НОМЕР 5 ( сентябрь-октябрь )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

УДК 621.362; 621.315.562

ТЕПЛОВЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ПРИ ИСКРОВОМ ПЛАЗМЕННОМ СПЕКАНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Булат Л.П., Пшенай-Северин Д.А., Нефедова И.А., Новотельнова А.В., Гуревич Ю.Г.

Читать статью полностью

Аннотация

Постановка проблемы. Повышение термоэлектрической добротности термоэлектриков связывают с использованием наноструктурированных термоэлектрических материалов, полученных из порошков методом искрового плазменного спекания. Сохранение наноструктуры порошка в процессе спекания возможно при оптимальных температурных режимах их получения. Выбор этих режимов осложнен свойствами термоэлектриков – анизотропных полупроводниковых материалов. Решение данной проблемы путем моделирования процесса спекания требует грамотного подхода к постановке задачи и корректного задания свойств термоэлектриков и материалов, входящих в рабочую установку, а также граничных условий. В представленной работе предложена работоспособная модель спекания термоэлектриков. Методы. Рассматривается процесс спекания термоэлектрического материала – теллурида висмута с использованием установки SPS-511S. Учитываются температурные зависимости электро- и теплопроводности теллурида висмута, а также материалов, из которых изготовлены элементы установки. Показано, что распределение температуры в образце может быть определено в рамках стационарной задачи. Моделирование выполняется в программном продукте Comsol Multiphysics. Граничные условия включают конвективный теплообмен и излучение по закону Стефана– Больцмана. Результаты. Проведено компьютерное моделирование электро- и теплофизических процессов, протекающих при искровом плазменном спекании. Получено распределение температуры и потенциала в образце при спекании. Показана определяющая роль в формировании температурного поля в образцах графитовой пресс-формы. Проанализиро- вано влияние геометрических размеров графитовой пресс-формы на условия спекания наноструктурированных термоэлектриков. Практическая значимость. Установлены оптимальные размеры цилиндрической пресс-формы для получения однородных по объему образцов на основе теллурида висмута. Показаны пути модификации процесса спекания, позволяющие создавать образцы термоэлектриков с прогнозируемыми свойствами.

Ключевые слова: искровое плазменное спекание, термоэлектрические материалы, наноструктуры, компьютерное моделирование, термоэлектрическая добротность, теплопроводность, тепловые и электрические поля

Благодарности. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки: субсидия № 14.579.0039 и задание № 3.912.2014/К.

Список литературы

1. Bulat L.P., Drabkin I.A., Karatayev V.V., Osvenskii V.B, Parkhomenko Yu.N., Lavrentev M.G., Sorokin A.I., Pshenai-Severin D.A., Blank V.D., Pivovarov G.I., Bublik V.T., Tabachkova N.Yu. Structure and transport properties of bulk nanothermoelectrics based on BixSb2−xTe3 fabricated by SPS method // Journal of Electronic Materials. 2013. V. 42. N 7. P. 2110–2113.

2. Драбкин И.А., Освенский В.Б., Сорокин А.И., Булат Л.П., Пивоваров Г.И. Анизотропия термоэлек- трических свойств объемного наноструктурированного материала на основе (Bi,Sb)2Te3, полученного методом искрового плазменного спекания (SPS) / Труды межгосударственного семинара «Термоэлек- трики и их применения». СПб, 2013. С. 29–34.

3. Бублик В.Т., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Лаврентьев М.Г., Освенский В.Б., Булат Л.П., Пивоваров Г.И., Сорокин А.И., Табачкова Н.Ю. Объемный наноструктурированный термоэлектрический мате- риал на основе (Bi,Sb)2Te3, полученный методом искрового плазменного спекания (SPS) / Труды меж- государственного семинара «Термоэлектрики и их применения». СПб, 2013. С. 23–28.

4. Drabkin I.A., Osvenski V.B., Parkhomenko Yu.N., Sorokin A.I., Pivovarov G.I., Bulat L.P. Anisotropy of thermoelectric properties of р-type nanostructured material based on (Bi, Sb)2Te3 // Journal of Thermoelectricity. 2013. N 3. P. 35–46.

5. Булат Л.П., Освенский В.Б., Пархоменко Ю.Н., Пшенай-Северин Д.А. Исследование возможностей увеличения термоэлектрической эффективности в наноструктурированных материалах на основе Bi2Te3-Sb2Te3 // Физика твердого тела. 2012. Т. 54. № 11. С. 2036–2042. 6. Булат Л.П., Освенский В.Б., Пшенай-Северин Д.А. Влияние распределения зерен по размерам на ре- шеточную теплопроводность наноструктурированных материалов на основе Bi2Te3-Sb2Te3 // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 12. С. 2323–2330.

7. Bulat L.P., Drabkin I.A., Karatayev V.V., Osvenskii V.B., Parkhomenko Yu.N., Pshenay-Severin D.A., Sorokin A.I. The influence of anisotropy and nanoparticle size distribution on lattice thermal conductivity and the thermoelectric figure of merit in nanostructured (Bi,Sb)2Te3 // Journal of Electronic Materials. 2014. V. 43. N 6. P. 2121–2126.

8. Anselmi-Tamburini U., Gennari S., Garay J.E., Munir Z.A. Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process: II. Modeling of current and temperature distributions // Materials Science and Engineering. 2005. V. 394. N 1–2. P. 139–148.

9. Cengel Y.A., Ghajar A.J. Heat and Mass Transfer. 4th ed. McGraw-Hill, 2011. 960 p.

10. Total Emissivity of Various Surfaces [Электронный ресурс]. 2003. Режим доступа: http://www.contika.dk/Download/litteratur/emission.pdf, свободный. Яз. англ. (дата обращения 11.05.2014).

11. Overall Heat Transfer Coefficients for Some Common Fluids and Heat Exchanger Surfaces [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.engineeringtoolbox.com/overall-heat-transfer-coefficients-d_284.html, свободный. Яз. англ. (дата обращения 11.05.2014).

12. Hust J.G. Standard Reference Materials: a Fine-Grained, Isotropic Graphite for Use as NBS Thermophysical Property RMs from 5 to 2500 K [Электронный ресурс]. NBS Special Publication 260-89. 1984. Режим доступа: http://www.nist.gov/srm/upload/SP260-89.PDF, свободный. Яз. англ. (дата обращения 11.05.2014).

13. Графитовая фольга графлекс [Электронный ресурс]. 2010. Режим доступа: http://traverss.ru/grafitovaya_folga_graf, свободный. Яз. рус. (дата обращения 11.05.2014).

14. Hust J.G., Giarratano P.J. Standard Reference Materials: Thermal Conductivity and Electrical Resistivity Standard Reference Materials: Austenitic Stainless Steel, SRMs 735 and 798, from 4 to 1200 K [Электрон- ный ресурс]. NBS Special Publication 260-46. 1975. Режим доступа: http://www.nist.gov/srm/upload/SP260-46.PDF, свободный. Яз. англ. (дата обращения 11.05.2014).

15. Магомедов Я.Б., Гаджиев Г.Г., Омаров З.М. Температурная зависимость теплопроводности и элек- тропроводности Bi2Te3 и его расплава // Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые мате- риалы. 2013. № 9. С. 1–5. 16. Stecker K., Süssmann H., Eichler W., Heiliger W., Stordeur M. Martin-Luther Univ. Halle-Wittenberg, Math-Naturwiss. 1978. V. 27. N 5. P. 5.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License