Проект «Получение термоэлектрических сплавов полу-Гейслера на основе TiNiSn методом механохимического синтеза»

Термоэлектрические материалы представляют собой широкий класс материалов, обеспечивающих прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Эффективность данного преобразования прямо пропорциональна безразмерному коэффициенту термоэлектрической добротности zT, который зависит от электрических и тепловых свойств материала и определяется как zT = α2σT/(κреш + κэл), где α, σ, T, κреш и κэл — коэффициент Зеебека, электропроводность, абсолютная температура, решеточная и электронная составляющие общей теплопроводности, соответственно.

Сплавы полу-Гейслера являются одними из наиболее перспективных материалов для термоэлектрических генераторов в среднетемпературном диапазоне благодаря их химической стабильности в широком диапазоне температур, высоким прочностным характеристикам и относительно высоким термоэлектрическим характеристикам, в основном связанным с уникальным набором электрических свойств. На сегодняшний день группа под руководством австрийского профессора П. Рогла сообщила о самом высоком значении термоэлектрической добротности zTmax = 1,5 при 825 К для соединения номинального состава Ti0,5Zr0,25Hf0,25NiSn для полу-Гейслеров n-типа проводимости. Хотя в последние годы соединения полу-Гейслеров активно исследуются учеными во всем мире, значение zT, полученное в данной работе не было превзойдено.

Однако в контексте широкомасштабного применения, значения zT не так важны, как разработка промышленно масштабируемой технологии производства термоэлектрических материалов. Разработка быстрой и масштабируемой технологии изготовления позволит на один шаг приблизить термоэлектрические материалы класса полу-Гейслеров к расширению области их применения.

В данной работе представлены результаты, демонстрирующие образование мелкозернистого однофазного образца номинального состава Ti0,5Zr0,25Hf0,25NiSn в течение 30 минут. Суммарное время получения объемного поликристаллического образца не превышает 7 часов в сравнении с 3 неделями при получении аналогичных соединений традиционным методом. Более того, ожидается, что мелкозернистая структура позволит уменьшить значения теплопроводности данных соединений за счет дополнительного рассеяния фононов на границах зерен, и как следствие – увеличит эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую.
Механизмы фазообразования и подробности синтеза представлены в работе.