المواد الكهروحرارية وطرق تحضيرها

تشمل المواد الكهروحرارية المركبات الكيميائية والسبائك المعدنية ، والتي تكون أكثر أو أقل وضوحًا. الخصائص الكهروحرارية.

اعتمادًا على قيمة EMF الحرارية التي تم الحصول عليها ، وعلى نقطة الانصهار ، وعلى الخصائص الميكانيكية ، وكذلك على الموصلية الكهربائية ، تُستخدم هذه المواد في الصناعة لثلاثة أغراض: لتحويل الحرارة إلى كهرباء ، للتبريد الكهروحراري (انتقال الحرارة عند مرور التيار الكهربائي) وكذلك لقياس درجة الحرارة (في قياس الحرارة). معظمها: كبريتيدات ، كربيدات ، أكاسيد ، فوسفيد ، سيلينيدات وتيلورايد.

لذلك في الثلاجات الحرارية التي يستخدمونها البزموت تيلورايد... كربيد السيليكون أكثر ملاءمة لقياس درجات الحرارة وج المولدات الحرارية (TEG) تم العثور على عدد من المواد لتكون مفيدة: البزموت تيلورايد ، الجرمانيوم تيلورايد ، الأنتيمون تيلورايد ، تيلورايد الرصاص ، سيلينيد الأنتيمون ، سيلينيد الأنتيمون ، سيلينيد البزموت ، أحادي كبريتيد السماريوم ، سيليكات المغنيسيوم ، وستانيت المغنيسيوم.

تستند الخصائص المفيدة لهذه المواد تأثيران - سيبيك وبلتيير... يتمثل تأثير Seebeck في ظهور حراري EMF في نهايات الأسلاك المختلفة المتصلة بالسلسلة ، والتي تكون نقاط التلامس بينها في درجات حرارة مختلفة.

تأثير بلتيير هو عكس تأثير سيبيك ويتكون من نقل الطاقة الحرارية عندما يمر تيار كهربائي عبر نقاط التلامس (التقاطعات) لموصلات مختلفة ، من موصل إلى آخر.

إلى حد ما هذه الآثار هي واحدة منذ ذلك الحين يرتبط سبب هاتين الظاهرتين الكهروحراريتين باضطراب التوازن الحراري في تدفق الناقل.

بعد ذلك ، دعنا نلقي نظرة على واحدة من أكثر المواد الكهروحرارية شيوعًا والأكثر طلبًا - البزموت تيلورايد.

من المقبول عمومًا أن يتم تصنيف المواد التي تقل درجة حرارة التشغيل فيها عن 300 كلفن على أنها مواد كهروحرارية منخفضة الحرارة. مثال صارخ على مثل هذه المواد هو ببساطة تيلورايد البزموت Bi2Te3. على أساسها ، يتم الحصول على العديد من المركبات الحرارية ذات الخصائص المختلفة.

يحتوي البزموت تيلورايد على هيكل بلوري معيني الشكل يتضمن مجموعة من الطبقات - خماسيات - بزوايا قائمة على محور التناظر من الدرجة الثالثة.

من المفترض أن تكون الرابطة الكيميائية Bi-Te تساهمية وأن رابطة Te-Te هي Waanderwal. من أجل الحصول على نوع معين من الموصلية (إلكترون أو ثقب) ، يتم إدخال فائض من البزموت ، والتيلوريوم في مادة البداية أو يتم خلط المادة بشوائب مثل الزرنيخ أو القصدير أو الأنتيمون أو الرصاص (المتقبلات) أو المتبرعين: CuBr ، Bi2Te3CuI، B، AgI.

تعطي الشوائب انتشارًا شديد التباين ، وتصل سرعتها في اتجاه مستوى الانقسام إلى سرعة الانتشار في السوائل.تحت تأثير تدرج درجة الحرارة والمجال الكهربائي ، لوحظت حركة أيونات الشوائب في تيلورايد البزموت.

للحصول على بلورات مفردة ، يتم زراعتها بطريقة التبلور الاتجاهي (Bridgeman) أو طريقة Czochralski أو ذوبان المنطقة. تتميز السبائك القائمة على البزموت تيلورايد بتباين واضح للنمو البلوري: معدل النمو على طول مستوى الانقسام يتجاوز بشكل كبير معدل النمو في الاتجاه العمودي لهذا المستوى.

يتم إنتاج المزدوجات الحرارية عن طريق الضغط أو البثق أو الصب المستمر ، بينما يتم إنتاج الأفلام الكهروحرارية تقليديًا عن طريق الترسيب الفراغي. يظهر أدناه مخطط الطور لتيلورايد البزموت:

كلما ارتفعت درجة الحرارة ، انخفضت القيمة الكهروحرارية للسبيكة ، حيث تبدأ الموصلية الداخلية في التأثير ، لذلك ، في درجات الحرارة العالية ، فوق 500-600 كلفن ، لا يمكن استخدام هذا المجد ببساطة بسبب العرض الصغير للمنطقة المحظورة.

من أجل أن تكون القيمة الكهروحرارية لـ Z هي الحد الأقصى حتى في درجات الحرارة غير العالية جدًا ، يتم عمل السبائك قدر الإمكان بحيث يكون تركيز الشوائب أصغر ، مما يضمن توصيل كهربائي أقل.

لمنع التبريد الفائق للتركيز (تقليل القيمة الكهروحرارية) في عملية زراعة بلورة واحدة ، يتم استخدام تدرجات حرارة كبيرة (تصل إلى 250 ك / سم) وسرعة منخفضة لنمو البلورات - حوالي 0.07 مم / دقيقة.

يعطي البزموت وسبائك البزموت مع الأنتيمون على التبلور شعرية معينية السطوح تنتمي إلى سكالينهيدرون ثنائي السطوح.تتشكل خلية الوحدة من البزموت مثل شكل معين مع حواف بطول 4.74 أنجستروم.

يتم ترتيب الذرات في مثل هذه الشبكة في طبقات مزدوجة ، مع وجود ثلاثة جيران في كل ذرة في طبقة مزدوجة وثلاث في طبقة مجاورة. الروابط تساهمية داخل الطبقة الثنائية ، وتربط فان دير فالس بين الطبقات ، مما يؤدي إلى تباين حاد في الخواص الفيزيائية للمواد الناتجة.

تزرع بلورات البزموت المفردة بسهولة عن طريق إعادة التبلور النطاقي ، وطرق Bridgman و Czochralski. يعطي الأنتيمون بالبزموت سلسلة مستمرة من الحلول الصلبة.

تتم زراعة بلورة أحادية من سبيكة البزموت والأنتيمون مع الأخذ في الاعتبار الميزات التكنولوجية الناتجة عن اختلاف كبير بين خطوط سوليدوس وسيولة. لذلك يمكن أن يعطي المصهور بنية فسيفساء بسبب الانتقال إلى حالة التبريد الفائق في مقدمة التبلور.

لمنع انخفاض حرارة الجسم ، يلجأون إلى تدرج كبير في درجة الحرارة - حوالي 20 ك / سم ومعدل نمو منخفض - لا يزيد عن 0.3 مم / ساعة.

تكمن خصوصية طيف الموجات الحاملة الحالية في البزموت في أن نطاقي التوصيل والتكافؤ قريبان جدًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتأثر التغيير في معلمات الطيف بما يلي: الضغط ، والمجال المغناطيسي ، والشوائب ، والتغيرات في درجات الحرارة ، وتكوين السبيكة نفسها.

بهذه الطريقة ، يمكن التحكم في معلمات طيف ناقلات التيار في المادة ، مما يجعل من الممكن الحصول على مادة ذات خصائص مثالية وأقصى قيمة حرارية.

أنظر أيضا:عنصر بلتيير - كيف يعمل وكيفية التحقق والاتصال