Влияние условий получения на термоэлектрические и механические свойства твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 и Bi2Te2,5Se0,5

Цель работы: установить основные закономерности влияния условий получения и последующей термической обработки на термоэлектрические и механические свойства твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 и Bi2Te2,5Se0,5. В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи: 1) отработать опытно-промышленную технологию получения низкотемпературных твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 и Bi2Te2,5Se0,5 методом экструзии; 2) изучить влияние условий получения на термоэлектрические и механические свойства твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 и Bi2Te2,5Se0,5; 3) сравнить термоэлектрические и механические свойства твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 и Bi2Te2,5Se0,5, полученных методом экструзии, с твердыми растворами, полученными другими методами; 4) установить основные механизмы влияния термической обработки на термоэлектрические свойства, предел прочности и пластичность твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 и Bi2Te2,5Se0,5; 5) оценить возможность применения экструзионной технологии в получении низкотемпературных термоэлектрических материалов. В заключении приведены основные результаты работы. 1. Синтезированы объемные твердые растворы Bi0.5Sb1.5Te3 р-типа проводимости методами горячего прессования и экструзии, а также Bi2Te2,5Se0,5 n-типа проводимости методами зонной перекристаллизации и экструзии. Установлено, что метод экструзии в сравнении с методами зонной перекристаллизации и горячего прессования позволяет получить более мелкозернистую структуру с заданной ориентацией вдоль оси экструзии. Процесс интенсивной пластической деформации почти не влияет на процентное содержание отдельных химических элементов в термоэлектрических сплавах. Термическая обработка при 573 К в течение 24 часов экструдированных образцов не приводит к существенным изменениям структуры и не нарушает общую текстуру деформации, созданную в процессе пластической деформации. 2. Исследованы термоэлектрические и механические свойства твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 р-типа проводимости, полученных горячим прессованием и экструзией, а также Bi2Te2,5Se0,5 n-типа проводимости полученных зонной перекристаллизацией и экструзией. Показано, что метод экструзии термоэлектрических материалов является наиболее приоритетным к применению в производстве в сравнении с зонной перекристаллизацией и горячим прессованием. Экструдированные материалы обладают наиболее высокими показателями предела прочности. Пластическая деформация позволяет добиться мелкозернистой, напряженной текстуры, что благоприятно влияет на термоэлектрические параметры и в частности, снижает теплопроводность вследствие рассеяния фононов на границах зерен. 3. Исследовано влияние термической обработки при Т=573 К в течение 24 часов на термоэлектрические свойства твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 ртипа и Bi2Te2,5Se0,5 n-типа проводимости, полученных экструзией. Показано положительное влияние термической обработки на термоэлектрические параметры твердых растворов на основе Bi-Te-Se и Bi-Sb-Te. Термообработка твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 р-типа проводимости приводит к снижению электрической проводимости, концентрации носителей заряда, а также теплопроводности сплава p-типа, что приводит к суммарному росту термоэлектрической добротности ZT с 0,99 до 1,063. В твердом растворе n-типа проводимости термическая обработка приводит к увеличению проводимости и концентрации носителей заряда, но снижению теплопроводности, что также приводит к увеличению термоэлектрической добротности. В результате для твердого раствора Bi2Te2,5Se0,5 n-типа проводимости при температуре 343 К наблюдается рост максимальной термоэлектрической добротности ZT с 0,9 до 0,968. 4. Проведен анализ влияния термической обработки в вакууме на подвижность носителей заряда и фононную составляющую теплопроводности экструдированных сплавов Bi0.5Sb1.5Te3 р-типа проводимости и Bi2Te2,5Se0,5 n-типа проводимости. Установлено, что термическая обработка при Т=573 К в течение 24 часов приводит к росту подвижности носителей заряда и фононной составляющей теплопроводности в сплаве Bi0.5Sb1.5Te3 р-типа и снижению данных параметров в сплаве Bi2Te2,5Se0,5 n-типа. Наблюдаемые закономерности связываются со снижением рассеяния носителей заряда и фононов на границах зерен в следствие роста кристаллических зерен, а также и с изменением электрон-фононного взаимодействия при изменении концентрации носителей заряда. 5. Исследовано влияние термической обработки при Т=573 К в течение 24 часов на механические свойства твердых растворов Bi0.5Sb1.5Te3 р-типа и Bi2Te2,5Se0,5 n-типа проводимости, полученных экструзией. Установлено, что термическая обработка при Т=573 К в течение 24 часов приводит к снижению предела прочности с 150 МПа до 130 МПа и появлению площадки текучести для п/п р-типа и росту предела прочности исследуемого сплава с 150 МПа до 164 МПа и снижению пластичности для п/п n-типа. Наблюдаемые изменения связываются с изменением концентрации заряженных ионов примеси при их электрическом (кулоновском) взаимодействии с дислокациями.