Регистрация / Вход
Прислать материал

Повышение эффективности термоэлектриков на основе халькогенидов висмута и сурьмы путем создания объемных наноструктур с контролируемыми свойствами.

Номер контракта: 14.584.21.0013

Руководитель: Булат Лев Петрович

Должность: Зав. кафедрой электротехники и электроники

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
термоэлектрики, прямое преобразование энергии, термоэлектрические генераторы, термоэлектрические охладители, наноструктуры, механоактивационная обработка, искровое плазменное спекание, функциональные коллоидные растворы, теллурид висмута, теплопроводность, коэффициент зеебека, электропроводность, термоэлектрическая добротность

Цель проекта:
Проведение исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники в Российской Федерации с участием научно-исследовательских организаций и университетов США и Канады, включая исследования по 1) индустрии наносистем и 2) энергоэффективности, энергосбережению, которые могут быть достигнуты, в том числе посредством повышения эффективности термоэлектрических материалов. Достижение поставленной цели позволит снизить экологическую нагрузку на окружающую среду путем создания эффективных термоэлектрических преобразователей энергии для утилизации тепловых отходов, уменьшения потребления органического топлива и использования низкопотенциальных возобновляемых источников энергии, а также внедрения экологически чистых холодильных машин.

Основные планируемые результаты проекта:
К основным ожидаемым результатам можно отнести:
• Последовательную теорию термоэлектрических свойств объемных наноструктур на основе Bi-Sb-Te, полученных механоактивационным методом с последующим искровым плазменным спеканием, а также с использованием функциональных коллоидных растворов. Теория будет учитывать практически все факторы, влияющие на термоэлектрическую эффективность материала.
• Результаты комплексного исследования термоэлектрических наноструктур на основе твердых растворов Bi-Sb-Te, состоящего в использовании и сопоставлении двух способов получения материала: 1) механоактивационная обработка с последующим искровым плазменным спеканием и 2) использование неорганических функциональных коллоидных растворов. Комплексный анализ будет включать: 1) исследование процесса высокотемпературного формирования наноструктуры в объемных термоэлектрических материалах, 2) исследование структуры и фазового состава полученных материалов методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, 3) исследование температурных зависимостей термоэлектрических свойств полученных материалов, 4) исследование изменения структуры при термоциклировании, 5) исследование влияния режимов искрового плазменного спекания на однородность полученных образцов, 6) исследование механических свойств наноструктурного материала, 7) сравнительный анализ структуры образцов, полученных методами искрового плазменного спекания и экструзии.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
• Повышение эффективности материалов на основе твердых растворов Bi-Sb-Te путем целенаправленного создания объемных наноструктур, содержащих нанозерна и нановключения с контролируемыми и прогнозируемыми свойствами.
• Получение наноструктурированных образцов на основе твердых растворов Bi-Sb-Te, имеющие надежно воспроизводимое максимальное значение безразмерной термоэлектрической добротности ZT=1,3 при 100 С.
Таким образом, будет предложен новый материал мирового уровня с существенно улучшенными свойствами, что даст возможность добиться высокой эффективности твердотельного охлаждения и использовать новые технологии генерирования электроэнергии.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Повышение эффективности термоэлектрических материалов путем создания объемных наноструктур позволит 1) увеличить конкурентоспособность экологически чистых твердотельных холодильных машин; 2) обеспечить с помощью термоэлектрических генераторов утилизацию отходящего тепла от агрегатов транспортных средств, энергетических и промышленных установок.
В настоящее время зарождается рынок термоэлектрических генераторов для утилизации тепловых отходов от агрегатов транспортных средств, от энергетических установок и промышленных объектов для уменьшения потребления органического топлива и использования низкопотенциальных возобновляемых источников энергии, а также внедрения экологически чистых холодильных машин. Для данного температурного диапазона эффективны термоэлектрики на основе Bi-Sb-Te. Активно финансируется ряд национальных научно-технических программ в США, Японии, Евросоюзе и в КНР. Успешное выполнение настоящего проекта позволит в итоге разработать достаточно дешевые и эффективные термоэлектрические генераторы для утилизации отходящего тепла. Оперативное решение поставленной задачи позволит занять достаточную для успешной деятельности долю мирового рынка термоэлектрических генераторов.
С другой стороны, успешное решение задачи по повышению термоэлектрической добротности материалов на основе твердых растворов Bi-Sb-Te позволит в итоге увеличить холодильный коэффициент твердотельных термоэлектрических охладителей. Последнее сдвинет конкурентный баланс между термоэлектрическими и парокомпрессионными холодильными машинами в пользу термоэлектрических машин.

Текущие результаты проекта:
Разработан аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы и выполнены патентные исследования по исследуемой проблеме.
Разработана последовательная теории термоэлектрических свойств объемных наноструктур на основе Bi-Sb-Te, полученных механоактивационным методом с последующим искровым плазменным спеканием, а также с использованием функциональных коллоидных растворов.
Разработаны лабораторные методики: 1) изготовления материалов на основе твердых растворов Bi-Sb-Te с помощью искрового плазменного спекания; 2) исследования структуры материалов на основе твердых растворов Bi-Sb-Te методами рентгеновской дифракции и электронной микроскопии; 3) исследования термоэлектрических свойств материалов на основе твердых растворов Bi-Sb-Te.
Выполнены пробные эксперименты по исследованию структуры материалов на основе твердых растворов Bi-Sb-Te методом электронной микроскопии. Выполнены пробные измерения теплопроводности материалов на основе твердых растворов Bi-Sb-Te.