Отчет о научно-исследовательской работе по теме "Структура, механические и электрофизические свойства термоэлектрических материалов на основе халькогенидов висмута и сурьмы, полученных методами порошковой металлургии" промежуточный этап №1

В работе рассмотрены особенности формирования структуры термоэлектрического материала (Bi, Sb)2Te3 р-типа проводимости методом горячей экструзии и искровым плазменным спеканием. C помощью математического моделирования на основе совместного использования приближений упругопластического тела рассмотрены основные особенности процесса горячей экструзии стержней диаметром 20 и 30 мм. Фазовый состав, текстуру и микроструктуру твердых растворов (Bi, Sb)2Te3 изучали методом рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии. Термоэлектрические свойства измеряли методом Хармана. Математическое моделирование процесса экструзии показало целесообразность изготовления фильеры диаметром 30 мм. При сравнении напряжений и деформаций в твердом растворе (Bi, Sb)2Te3 в процессе экструзии через фильеры диаметром 20 и 30 мм установлено, что при экструзии через фильеру диаметром 30 мм возникает более однородная деформация, чем при экструзии через фильеру 20 мм. Исследование структуры экструдированных стержней показало, что образцы обладали мелкозернистой структурой и четкой аксиальной текстурой, при которой плоскости спайности располагаются параллельно оси экструзии. При увеличении скорости экструзии дефектность зерен термоэлектрического материала (Bi, Sb)2Te3 уменьшается. Увеличение температуры экструзии приводит к уменьшению коэффициента Зеебека и увеличению электропроводности. Максимальным значением термоэлектрической эффективности Z=3.2×10-3 K-1 обладают образцы, полученные при температуре экструзии 450 ⁰С и скорости экструзии 0.5 мм/мин. Исследование структуры термоэлектрических образцов (Bi, Sb)2Te3, полученных методом искрового плазменного спекания показало, что при искровом плазменном спекании на формирование структуры оказывает существенное влияние кратковременный локальный перегрев в объёме зерен, опережающий диффузию к границам зерен. В данных условиях эксперимента варьируя температурный режим, скорость нагрева и создание градиента температуры между центром и границей зерен с помощью чередования импульсов и их отключения не удалось подавить рост зерен связанных с рекристаллизацией. Но удалось разделить диффузионные процессы с разными энергиями активации формирующие структуру и выявить образование локальных частиц того же материала внутри объема зерен. Показано, что увеличивая градиент температуры между центром и границей зерна возможно влиять на структурные превращения связанные с участием индивидуальных точечных дефектов. Это приводит к зарождению новых частиц внутри объема зерен. Полученные результаты позволяют заключить, что наряду с известными процессами формирования наноструктуры, существует другой – высокотемпературный, самоорганизующийся процесс формирования наноструктурного материала, в основе которого лежит перераспределение и изменение формы нахождения неравновесных точечных дефектов. Это расширяет возможности управления свойствами объемного термоэлектрического материала на основе (Bi,Sb)2Te3.