Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0038

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0038
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Разработка конструкции и технологии многосекционного термоэлемента для термоэлектрических генераторов, работающих в широкой области температур
Докладчик
Штерн Юрий Исаакович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
Разработка лабораторной технологии получения составных ветвей из низко-, средне- и высокотемпературных секций и создание на их основе термоэлемента с повышенной эффективностью (КПД не менее 14 %) для рабочего диапазона температур от комнатной до 900 ºC.
Разработка метрологического обеспечения для исследований термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе.
Разработка аппаратно - программных средств для проведения исследований.
Основными задачами данного проекта являются:
- Разработка, получение и исследование тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов.
- Разработка методов и математических моделей для определения теплового расширения материалов.
- Разработка методик для исследования адгезионной прочности контактных систем.
- Разработка методики, конструкции и изготовление измерительного комплекса для исследования КПД термоэлементов для термоэлектрических генераторов.
- Разработка конструкции многосекционных составных ветвей и термоэлемента на их основе.
- Разработка способов коммутации секций ветви термоэлемента. Изготовление многосекционной ветви и исследование ее электрофизических и механических свойств.
- Разработка способов коммутации составных ветвей в термоэлемент.
- Разработка программного обеспечения для расчета и моделирования теплофизических свойств материалов и конструкции термоэлектрических устройств на базе термоэлемента с составными ветвями.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследований:
Исчерпаемость ископаемых источников энергии и экологические проблемы, усугубляемые с ростом их применения, вызывают необходимость использования альтернативных источников энергии и энергоэффективных технологий. Термоэлектричество может стать одной из таких альтернативных технологий. Для создания высокоэффективных термоэлектрических устройств нужны и высокоэффективные термоэлектрические материалы. Следует сказать, что заманчивым представляется разработка термоэлектрических генераторов, эффективно работающих в широком температурном диапазоне – от комнатной до 900-1000 °С.
Научная новизна исследований:
1. Обоснованы технологические способы и определены материалы и режимы получения омических контактов к термоэлектрическим материалам, обладающих низким удельным сопротивлением.
2. Проведено математическое моделирование с целью оптимизации конструкции многосекционного термоэлемента.
3. Разработана методика измерения теплового расширения материалов.
4. Предложена концепция формирования неразъемного коммутационного соединения в многосекционных ветвях термоэлемента.
5. Разработаны оригинальные способы коммутации составных ветвей в термоэлемент в области горячего спая, позволяющие при температурах до 900 °С обеспечить омический контакт, обладающий высокой механической прочностью.
6. Разработана конструкция и технология, позволившие создать многосекционный термоэлемент, обладающий высоким значением КПД на уровне 14 %.
Описание исследования

В процессе исследований в рамках данного проекта использовано современное уникальное технологическое оборудование, а также высококлассные измерительные приборы и аналитическое оборудование. Кроме того исполнителями проекта разработаны методики и оригинальные аппаратно-программные комплексы для исследования материалов и термоэлектрических структур на их основе.

В процессе выполнения проекта выполнялось математическое моделирование, разрабатывались методики расчета и программное обеспечения для их реализации.

Разработана оригинальная математическая модель для оптимизации конструкции многосекционного термоэлемента. Эта модель в процессе конструирования термоэлемента позволяет учитывать теплофизические параметры термоэлектрических материалов для каждой секции ветви термоэлемента. Проведено математическое моделирование теплового расширения многосекционного термоэлемента.

Проведено математическое моделирование конструкции и параметров термоэлектрического модуля с многосекционными термоэлементами.

Разработана методика и изготовлен измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе. На основании измерений и расчетным путем установлены относительные погрешности определения тепло- и электрофизических параметров:

1) коэффициента термоЭДС - не более 3%;

2) коэффициента электропроводности - не более 3%;

3) коэффициента теплопроводности - не более 5%.

Разработана методика исследования теплового расширения термоэлектрических структур и изготовлен измерительный комплекс для исследования теплового расширения термоэлектрических структур. Методика реализована с помощью кварцевого дилатометра и может быть использована для исследования любых твердых материалов и структур, имеющих значение термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) выше плавленого кварца.

Измерительный комплекс имеет следующие основные характеристики:

1) диапазон температур исследований: минус 60 ÷ 400 °С;

2) абсолютная погрешность измерения температуры: ± 0,05 °С;

3) точность стабилизации температуры в рабочей зоне: ± 0,1 °С;

4) размеры исследуемых образцов: длина от 10 до 100 мм, диаметр до 20 мм.

Проведенные экспериментальные тестовые исследования на эталонных мерах показали, что относительная погрешность измерений данной методики не превышает 2%, что соответствует требованиям технического задания.

Для реализации методик исследования адгезии омических контактов, барьерных слоев, контактных слоев и коммутационных элементов проведен всесторонний анализ основных теорий адгезионного взаимодействия, применительно к контактным системам, реализуемым в технологии термоэлектрических устройств.

Предложены рекомендации для режимов нанесения тонких пленок, с целью увеличения адгезионной прочности, которые были учтены при отработке технологии вакуумного напыления. В процессе исследований разработаны 3 методики для проведения исследований адгезионной прочности.

Для исследования КПД термоэлектрических генераторных устройств разработана методика и изготовлен аппаратно-программный измерительный комплекс, позволяющий проводить исследования при температурах до 900 °С.

Для аппаратно - программных комплексов с целью автоматизации процессов измерений разработано соответствующее программное обеспечение, зарегистрированное в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.

Результаты исследования

Разработана методика исследования теплового расширения термоэлектрических структур и изготовлен измерительный комплекс.

Разработана методика и изготовлен комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе на измерительном комплексе.

Разработаны способы получения омических контактов к термоэлектрическим материалам. Изготовлены и исследованы омические слои (контакты) к материалам. Разработаны способы получения барьерных слоев к термоэлектрическим материалам. Изготовлены барьерные слои и проведено исследование их свойств.

Проведено исследование тепло- и электрофизических свойств термоэлектрических материалов.

Исследования включают следующие измерения:

1) температурной зависимости теплоемкости;

2) температурной зависимости термического коэффициента линейного расширения;

3) температурной зависимости электропроводности, термоЭДС, теплопроводности, термоэлектрической добротности;

4) удельного сопротивления.

В процессе исследований разработаны 3 методики, что обусловлено различными величинами нагрузки, необходимой для проведения исследований адгезионной прочности. Для каждой методики изготовлены комплекты технологической оснастки, необходимой для проведения измерений.

Методом магнетронного распыления в едином вакуумном цикле получены эффективные барьерные слои на основе систем Ni - TiN - Ni и Mo - Ni к высокотемпературному материалу на основе твердых растворов Si-Ge.

Методом электронно-лучевого напыления получена структура Mo-Ni к высокотемпературному материалу на основе твердых растворов Si-Ge.

Предложено использовать в качестве материала контактного слоя силицидные композиции на основе максимально обогащенных кремнием соединений: NiSi2, MoSi2, TiSi2.

Разработана технология сращивания секций ветви термоэлемента посредством образования на их границе эвтектических сплавов на основе легкоплавкого металла (In).

С использованием коммутационного слоя V-Au методом бондинга проведена коммутация секций в высокотемпературной области ветви термоэлемента. Отработаны режимы бондинга, позволяющие получить высокую механическую прочность соединений.

По итогам проведенных в рамках настоящего проекта исследований разработаны проекты лабораторного регламента получения многосекционных ветвей и термоэлемента на их основе с повышенной эффективностью (КПД 14 %) для рабочего диапазона температур от комнатной до 900 °С.

Разработана методика и изготовлен измерительный комплекс для исследования КПД термоэлементов и структур на их основе.

Результаты исследований по данному проекту представлены в 8 научных статьях, опубликованных в высокорейтинговых журналах, индексируемых в базе данных SCOPUS.

Полученные результаты обсуждались на научно-технических конференциях. Опубликованы 13 тезисов докладов.

По результатам исследований зарегистрировано 4 программы для ЭВМ.

Практическая значимость исследования
В результате выполнения работы создана принципиально новая продукция – высокоэффективный термоэлемент, работающий в широком температурном диапазоне.
Разработана технология высокотемпературного многосекционного термоэлемента, предназначенная для изготовления эффективных генераторных устройств.
Разработаны математические модели и программное обеспечение для оптимизации конструкции термоэлектрических генераторных устройств, на основе многосекционных термоэлементов, предназначенных для работы при температурах до 900 °С.
Разработано метрологическое обеспечение для комплексных исследований термоэлектрических материалов и устройств, включающее методики и измерительные аппаратно-программные комплексы для исследования:
- тепло- и электрофизических параметров;
- теплового линейного расширения;
- адгезионной прочности;
- КПД.
Разработанные в рамках проекта технологии предназначены для изготовления термоэлектрических устройств, которые могут быть использованы там, где требуются сверхнадежные источники электроэнергии с длительным сроком эксплуатации, не требующие обслуживания. Например, для электроснабжения удаленных потребителей в труднодоступных районах: метеостанции, маяки, устройства сейсмической разведки, для катодной защиты газо- и нефтепроводов от коррозии, для питания автоматики газовых буровых скважин. Высокотемпературные термоэлектрические генераторы - единственный способ энергообеспечения межпланетных космических станций.
Необходимо особо отметить большие перспективы для применения разрабатываемых термоэлектрических устройств в высокотехнологичных интеллектуальных системах, сенсорах и датчиках, устройствах аэрокосмической, военной, СВЧ техники, требующих использования для питания эффективных, компактных источников питания.
Результаты решения поставленных задач будут иметь существенное значение для развития термоэлектрического приборостроения и позволят значительно расширить области и эффективность применения термоэлектрического оборудования.
Постер

14.578.21.0038.ppt