Регистрация / Вход
Прислать материал

«Разработка технологии создания функционально-градиентных наноструктурированных порошковых термоэлектрических материалов методом искрового плазменного спекания»

Сведения об участнике
ФИО
Тукмакова Анастасия Сергеевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Нанотехнологии
Тема
«Разработка технологии создания функционально-градиентных наноструктурированных порошковых термоэлектрических материалов методом искрового плазменного спекания»
Резюме
Мировой энергетический кризис ставит перед нами задачи поиска новых источников энергии. Термоэлектричество является перспективной отраслью альтернативной энергетики. Для повышения эффективности термоэлектрических устройств используют новые термоэлектрические сегментированные и функционально-градиентные наноматериалы, которые могут быть получены методом искрового плазменного спекания (ИПС) в градиентном поле температур. При помощи компьютерного моделирования проведено исследование тепловых и электрических полей в процессе ИПС. Составлены рекомендации по модификации матрицы пресс-формы, необходимой для успешного формирования градиентного поля температур.
Ключевые слова
наноматериалы, искровое плазменное спекание, термоэлектрики, термоэлектрическая добротность, метод конечных элементов
Цели и задачи
Получение распределения электрических и тепловых полей во время искрового плазменного спекания сегментированных нанотермоэлектриков в зависимости от разной конфигурации оснастки установки спекания. Нахождение условий, способствующих формированию достаточного перепада температур по вертикальной оси спекаемого образца. Составление общих рекомендаций по получению сегментированных и функционально-градиентных наноматериалов методом ИПС в градиентном температурном поле.
Введение

Термоэлектричество (ТЭ) является перспективной отраслью альтернативной энергетики и позволяет получать энергию из тепла. Для повышения эффективности ТЭ устройств применяют сегментированные и градиентные ветви ТЭ материалов [1,2], а также наноструктурирование [3,4]. Эффективным методом создания наноматериалов является искровое плазменное спекание ультрадисперсных порошков [5]. Процесс спекания сегментированного материаа должен проходить в градиентном температурном поле, так как слои являются химически неоднородными и спекаются каждый при своей оптимальной температуре. В данном исследованиии определяется модификация матрицы пресс-формы ИПС установки, позволяющая создавать необходимое градиентное поле температур.

Методы и материалы

Работа выполнялась методом конечных элементов. Все исходные данные были взяты с реальной установки ИПС- SPS-511S (производство Япония, находится в Москве). Для математического описания модели были использованы уравнения сохранения заряда и энергии, а также феноменологические законы Ома и Фурье. Задача рассматривалась как стационарная. Начальные условия были приняты следующие: температура равнялась 300 К, напряжение 0 В. Нагрев частей установи и образца происходил за счет протекания электрического тока и выделения теплоты Джоуля. В качестве граничных условий для элеткрических величин использовалось эффективное значение плотности тока (значение задавалось таким образом, чтобы температура на нижнем слое материала равнялась 730 К) на верхнем стальном электроде установкии нулевой потенциална нижнем стальном электроде. Вся боковая поверхность установки электрически изолирована. Для граничных условий по тепловым величинам принимался конвективный теплообмен с торцов стальных электродов и радиационный теплообмен с боковой поверхности установки.

Установка состоит из стальных электродов, графтовых вставок и оснастки, которая содержит матрицу пресс-формы и пуансоны.Рассматриваемый образец состоит из трех слоев низко-, средне- и высоко температурного материала (теллурида висмута, теллурида свинца и станида магния, соответственно). Между слоями присутствовали переходные слои из молибдена, покрытого напылением антимонида никеля.

 

Описание и обсуждение результатов

Показано влияние расположения матрицы пресс-формы в оснастке установки на формирование градиентного поля температур. Создание электрического и теплового контакта способствует формированию перепада температур между верхней и нижней границами образца вдоль вертикальной оси. Область максимальной плотности тока смещается из центра образца в верхний пуансон, где оздает перегрев. Таким образом верхняя поверхность образца контактирует с более нагретым пуансоном, а нижняя поврхность образца- с менее нагретым, за счет чего происходит появление градиента температуры в образце.

Рассмотрены различные конфигурации расширенного основания матрицы пресс-формы (вогнутая, коническая, выгнутая, прямоугольная). Показано, что при использовании основания прямоугольной формы, перепад температур максимален. Представлена зависимость между перепадом температур и площадью поверхности, а также объемом, матрицы. Предполагается, что матрицы с максимальным расширением основания способствует более интенсивному отводу тепла от нижней поверхности образца, таким образом создавая больший перепад температур. Найдена оптимальная высота основания для образцов различной высоты и разного состава.

Рассмотрено влияние внесения диэлектрического слоя из оксида кремния между верхним пуансоном и матрицей и образцом и матрицей. Это способствует перенаправлению импульсного тока через образец, а не через матрицу пресс-формы. Что приводит к формированию больших значений температурного перепада. Изучено распределение температуры в радиальном направлении. Показано, что увеличение толщины диэлектрика ведет к увеличению градиента температуры по вертикальной оси и его снижению по горизонтальной оси. Подобное явление можно объяснить тем, что при увеличении толщины диэлектрик начинает вести себя как теплоизолятор, так как теплопроводность оксида кремния на порядок ниже теплопроводности графитовой матрицы.

Распределениея температур по вертикальной оси, полученные в ходе исследования, являются достаточными для спекания групп материалов, рассмотренных в работе. Перепады достигают нескольких сотен градусов, что является достаточным для получения сегментированных и функционально-градиентных материалов различного состава. Распределение температуры по горизонтальной оси является равномерным, что говорит о возможности равномерного "пропекания слоев" в радиальном направлении. Показана возможность формирования температурных перепадов на образцах малой высоты (3, 6 мм), применяемых на практике.

Полученные данные могут использоваться в качестве рекомендаций по производству сегментированных и функционально-градиентных материалов для термоэлектрических применений. Рекомендации применимы для установок ИПС иной конфигурации и мощности, а также для спекания материалов, отличных от рассмотренных в работе.

 

 

Используемые источники
[1] Анатычук Л.И. Термоэлектрические преобразователи энергии. Термоэлементы. Элементная база термоэлектричества. Киев: Институт термоэлектричества, 2003. 376 с.
[2] Kuznetsov V. L, Edwards P. P.// ChemSusChem. 2010. V. 3. N 1 P.44-58.
[3] Guillon O., Gonzalez-Julian J., Dargatz B., Kessel T., Schierning G., Räthel J., Herrmann M.// Advanced Engineering Materials. 2014. Vol. 16. Iss 7. P. 830–849.
[4] 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.// J. Electron. Mater. 2013. Vol. 42. № 7. P.2110-2113.
[5] Булат Л.П., Драбкин И.А., Новотельнова А.В., Освенский В.Б., Пшенай-Северин Д.А., Сорокин А.И., Тукмакова А.С.// Термоэлектрики и их применения. – СПб: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2015.

Information about the project
Surname Name
Tukmakova Anastasiia
Project title
«Developing of the technology of functionally graded nanothermoelectrics production during the spark plasma sintering process»
Summary of the project
Global energy problems set tasks of new energy resources search. Thermoelectricity is a promising method of alternative energy. Segmented and functionally graded materials can improve the efficiency of thermoelectric devices. Such materials can be obtained by the spark plasma sintering (SPS) technique. Finite element computer simulation was used to study thermal and electrical fields during the SPS-process. Gradient temperature field, required for functionally graded materials production, was obtained. Technological recommendations relating to the tooling configuration have been formulated.
Keywords
nanomaterials, spark plasma sintering, thermoelectrics, figure of merit