Исследование структуры порошков нанокомпозитов, изготовление опытных образцов наноструктурированных композитов на основе халькогенидов висмута-сурьмы и графена для повышения эффективности работы термоэлектрических модулей

Отчёт заключительный, 163 стр., 18 табл., 100 рис., 169 ист. ХАЛЬКОГЕНИДЫ ВИСМУТА И СУРЬМЫ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА, НАНОКОМПОЗИТЫ, ГРАФЕН, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ Целью работы является повышение эффективности работы термоэлектрических преобразователей энергии (модулей) за счет использования в их составе нанокомпозитных термоэлектрических материалов. Объект исследования - термоэлектрические материалы на основе твердых растворов халькогенидов висмута и сурьмы P- и N-типа проводимости, полученные в виде нанокомпозитов с добавлением графена. В результате проведенных работ: Проведен анализ способов получения нанокомпозитов на основе теллурида висмута на основе научно-технической литературы. Разработана методика нанесения слоёв графена на порошки теомоэлектрических материалов. Проведение исследований структуры порошков нанокомпозитов. Подбораны оптимальные режимы компактирования порошков нанокомпозита на основе графена. Проведено измерение электропроводности, коэффициента Зеебека, теплопроводности и термоэлектрической эффективности объемных образцов нанокомпозитов мето-дом Хармана. Разработаны программы и методики испытаний образцов термоэлектрических модулей. Изготовлены опытные образцы наноструктурированных композитных термоэлектрических материалов на основе халькогенидов Bi-Sb и графена. Нанесены опытные образцы наноструктурированных композитных термоэлектрических материалов на термоэлектрические модули. Измерены электрофизические характеристики термоэлектрических модулей с наноструктурированными композитными термоэлектрическими материалами. Проведено испытание образцов термоэлектрических модулей с наноструктурированными композитными термоэлектрическими материалами. Анализ литературных данных показал, что термоэлектрическая добротность материалов на основе твердых растворов халькогенидов висмута и сурьмы P- и N-типа проводимости может быть повышена за счет наноструктурирования. Наилучшие результаты получены с использованием нанокомпозитов, состоящих из матрицы на основе твердых растворов Bi2Te3–Sb2Te3 (P-тип проводимости) и Bi2Te3–Bi2Se3 (N-тип проводимости) и графена. Повышение термоэлектрической добротности нанокомпозитов на основе теллурида висмута может быть достигнуто путем: (i) снижения теплопроводности за счет селективного рассеяния на границе диспергатор-матрица, (ii) повышения электропроводности за счет туннельного эффекта, (iii) увеличения коэффициента Зеебека при фильтрации носителей заряда. Для создания композита на основе порошков твердого раствора халькогенидов висмута и сурьмы разработан способ модификации поверхности частиц субмикронного порошка листами бескислородного графена. Предусмотрен сонохимический способ получения суспензий графена с использованием в качестве жидкой дисперсионной среды водно-органической эмульсии. Он заключается в ультразвуковом воздействии на графит и фиксации листов бескислородного графена на молекулах дисперсионной среды, выполняющей роль стабилизатора суспензии. Однако в опубликованном ранее сообщении была использована водно-органическая эмульсия в качестве дисперсионной среды, которая не подходит для контакта с интерметаллидом. Поэтому в предстоящем исследовании предусмотрен подбор жидких органических сред, приемлемых, во-первых, для контакта с интерметаллидом и, во-вторых, – для технологически ориентированного варианта способа. Разработаны режимы компактирования мелкокристаллических образцов твердых растворов халькогенидов висмута и сурьмы N- и P-типа проводимости, легированных графеном, на основе результатов их микроструктурного, рентгенофазового и структурного анализов, измерений термоэлектрических свойств и механических испытаний. Установлено, что все образцы имеют наноструктурированную микроструктуру с размерами зерен меньших сотен нанометров. Получено увеличение максимальной термоэлектрической добротности материала твердого раствора Bi0,5Sb1,5Te3 P-типа проводимости, полученного ИПС порошка, приготовленного спиннингованием расплава, при легировании 0,15 мас.% графена на 13% и смещение его в область более высоких температур на 50 К. Максимальная термоэлектрическая добротность материала N-типа проводимости Bi2Te2,4Se0,6, легированного 0,1 мас.% графена, составила (ZT)max ~ 0,83 при 470 К. Исследования механических свойств при деформации сжатием материалов на основе твердых растворов Bi0,5Sb1,5Te3 P-типа проводимости и Bi2Te2,4Se0,6 N-типа проводимости, легированных графеном, показали, что эти материалы имеют высокие пределы прочности, которые составили 208± 10 МПа и 215± 15 МПа, соответственно. Проведено испытание образцов термоэлектрических модулей с наноструктурированными композитными термоэлектрическими материалами. Увеличение термоэлектрической добротности указанных выше материалов возможно за счет дальнейшей оптимизации составов и режимов получения порошков и массивных образцов.