mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2016-1-34-42mateltech-252Research ArticleМоделирование процессов и материаловMODELING OF PROCESSES AND MATERIALSВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ НА СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ ГОРЯЧЕЙ ЭКСТРУЗИИINFLUENCE OF PLASTIC FORMATION PARAMETERS ON STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF THERMOELECTRIC MATERIAL DURING HOT EXTRUSIONПростомолотовА. И.ProstomolotovA. I.

Простомолотов Анатолий Иванович — ведущий научный сотрудник.

 

Anatoly I. Prostomolotov — Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher .

101–1 Prospekt Vernadskogo, Moscow 119526.

prosto@ipmnet.ruМеженныйМ. В.MezhenniiM. V.

Меженный Михаил Валерьевич — начальник лаборатории. 

ул. Щербаковская, д. 53, Москва, 105187.

Mikhail V. Mezhennyi — Head of Laboratory.

53 Shcherbakovskaya Str., Moscow 105187.

mvmezh@gmail.comВерезубН. А.VerezubN. A.

 Верезуб Наталия Анатольевна — старший научный сотрудник.

 

Nataliya A. Verezub — Cand. Sci. (Phys.− Math.), Senior Researcher. 

101–1 Prospekt Vernadskogo, Moscow 119526.

verezub@ipmnet.ruЛаврентьевМ. Г.LavrentevM. G.

Лаврентьев Михаил Геннадьевич — старший научный сотрудник. 

Б. Толмачевский пер., д. 5, стр. 1, Москва, 119017.

Mikhail G. Lavrentev — Senior Researcher.

5–1 B. Tolmachevsky Lane, Moscow 119017.

lavrentev.mihail@gmail.comОсвенскийВ. Б.OsvenskiiV. B.

Освенский Владимир Борисович3 — заведующий лабораторией.

Б. Толмачевский пер., д. 5, стр. 1, Москва, 119017.

Vladimir B. Osvenskii — Head of Laboratory.

5–1 B. Tolmachevsky Lane, Moscow 119017.

girlab22@mail.ruИнститут проблем механики Российской академии наук.РоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences.Russian FederationАО «Оптрон».РоссияJSC Optron.Russian FederationАО «Государственный научно−исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет».РоссияJSC State Research and Design Institute of Rare Metal Industry «Giredmet».Russian Federation2016050620181913442Copyright © Простомолотов А.И., Меженный М.В., Верезуб Н.А., Лаврентьев М.Г., Освенский В.Б., 20182018Простомолотов А.И., Меженный М.В., Верезуб Н.А., Лаврентьев М.Г., Освенский В.Б.Prostomolotov A.I., Mezhennii M.V., Verezub N.A., Lavrentev M.G., Osvenskii V.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/252

С помощью математического моделирования проведено сравнение напряжений и деформаций в термоэлектрическом материале на основе твердого раствора Bi0,4Sb1,6Te3 при экструзии через фильеры с разным диаметром. Показано, что при экструзии через фильеру диаметром 20 мм возникает более неоднородная деформация, чем при экструзии через фильеру 30 мм. Установлено, что при увеличении диаметра фильеры структура материала получается менее дисперсная, но более однородная по размерам. Степень преимущественной ориентации зерен при экструзии через фильеру большего диаметра более высокая. Обнаружено изменение параметра решетки твердого раствора по длине экструдированного стержня, связанного с дефектообразованием в процессе экструзии. Выявлено, что концентрация вакансий больше при экструзии через фильеру меньшего диаметра. Это является следствием более интенсивного протекания процессов динамической рекристаллизации. При переходе к большему диаметру фильеры и более низкой температуре экструзии термоэлектрические свойства материала сохраняются за счет лучшей текстуры.

We used mathematical modeling to compare the stress and deformation in a Bi0.4Sb1.6Te3 solid solution base thermoelectric material for extrusion through different diameter dies. The results show that extrusion through a 20 mm diameter die produces a more inhomogeneous deformation compared with extrusion through a 30 mm diameter die. Extrusion through a die of a larger diameter produces a structure that is coarser but has a more homogeneous grain size distribution. The degree of preferential grain orientation is higher for extrusion through a larger diameter die. We found a change in the lattice parameter of the solid solution along the extruded rod, correlating with detect formation during extrusion. The concentration of vacancies is higher for extrusion through a smaller diameter die. This difference between the structures results from a more intense dynamic recrystallization for a smaller diameter die. Increasing the die diameter and lowering the extrusion temperature allow retaining the thermoelectric properties of the material due to a better texture.

твердый раствор Bi04Sb16Te3экструзиятекстуратермоэлектрическая эффективностьBi0.4Sb1.6Te3 solid solutionextrusiontexturethermoelectric efficiencyРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (субсидия № RFMEFI57914X0039−14.579.21.0039) и гранта РФФИ (№ 15−02−01794a)The work was performed with financial support from the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (Subsidy No. RFMEFI57914X0039−14.579.21.0039) and Russian Basic Research Fund Grant (No. 15−02−01794a).ReferencesSabo, Ye. P. Technology of chalcogen thermoelements. Physical foundations / Ye. P. Sabo // J. Thermoelectricity. − 2005. − V. 3. − P. 52—68.Sabo Ye. P. Technology of chalcogen thermoelements. Physical foundations. J. Thermoelectricity, 2005, vol. 3, pp. 52—68.Suhir, E. Assembly bonded at the ends: Could thinner and longer legs result in a lower thermal stress in a thermoelectric module design? / E. Suhir, A. Shakouri // J. Appl. Mech. − 2012. − V. 79, iss. 6. − P. 061010—061018. DOI: 10.1115/1.4006597Suhir E., Shakouri A. Assembly bonded at the ends: Could thinner and longer legs result in a lower thermal stress in a thermoelectric module design? J. Appl. Mech., 2012, vol. 79, no. 6, pp. 061010—061018. DOI: 10.1115/1.4006597Keshavarz, M. K. P−type bismuth telluride−based composite thermoelectric materials produced by mechanical alloying and hot extrusion / M. K. Keshavarz, D. Vasilevskiy, R. A. Masut, S. Turenne // J. Electronic Mater. − 2013. − V. 42, iss. 7. − P. 1429—1435. DOI: 10.1007/s11664-012-2284-2Keshavarz M. K., Vasilevskiy D., Masut R. A., Turenne S. P−type bismuth telluride−based composite thermoelectric materials produced by mechanical alloying and hot extrusion. J. Electronic Mater., 2013, vol. 42, no. 7, pp. 1429—1435. DOI: 10.1007/s11664-0122284-2Zheng, Y. High−temperature mechanical and thermoelectric properties of p−type Bi0.5Sb1.5Te3 commercial zone melting ingots / Yun Zheng, Hongyao Xie, Shengcheng Shu, Yonggao Yan, Han Li, Xinfeng Tang // J. Electronic Mater. − 2014. − V. 43, iss. 6. − P. 2017— 2022. DOI: 10.1007/s11664-013-2938-8Yun Zheng, Hongyao Xie, Shengcheng Shu, Yonggao Yan, Han Li, Xinfeng Tang. High−temperature mechanical and thermoelectric properties of p−type Bi0.5Sb1.5Te3 commercial zone melting ingots. J. Electronic Mater., 2014, vol. 43, no. 6, pp. 2017—2022. DOI: 10.1007/s11664-013-2938-8Xiao, Y. Enhanced thermoelectric and mechanical performance of polycrystalline p−type Bi0.5Sb1.5Te3 by a traditional physical metallurgical strategy / Ye Xiao, Junyou Yang, Gen Li, Ming Liu, Liangwei Fu, Yubo Luo, Weixin Li, Jiangying Peng // Intermetallics. − 2014. − V. 50. − P. 20—27. DOI: 10.1016/j.intermet.2014.02.010Ye Xiao, Junyou Yang, Gen Li, Ming Liu, Liangwei Fu, Yubo Luo, Weixin Li, Jiangying Peng. Enhanced thermoelectric and mechanical performance of polycrystalline p−type Bi0.5Sb1.5Te3 by a traditional physical metallurgical strategy. Intermetallics, 2014, vol. 50, pp. 20—27. DOI: 10.1016/j.intermet.2014.02.010Xu, Z. J. Enhanced thermoelectric and mechanical properties of zone melted p−type (Bi,Sb)2Te3 thermoelectric materials by hot deformation / Z. J. Xu, L. P. Hu, P. J. Ying, X. B. Zhao, T. J. Zhu // Acta Materialia. − 2015. − V. 84. − P. 385—392. DOI: 10.1016/j.actamat.2014.10.062Xu Z. J., Hu L. P., Ying P. J., Zhao X. B., Zhu T. J. Enhanced thermoelectric and mechanical properties of zone melted p−type (Bi,Sb)2Te3 thermoelectric materials by hot deformation. Acta Materialia, 2015, vol. 84, pp. 385—392. DOI: 10.1016/j.actamat.2014.10.062Zheng, Y. Mechanically robust BiSbTe alloys with superior thermoelectric performance: A case study of stable hierarchical nanostructured thermoelectric materials / Y. Zheng, Q. Zhang, X. Su, H. Xie, S. Shu, T. Chen, G. Tan, Y. Yan, X. Tang, C. Uher, G. J. Snyder // Adv. Energy Mater. − 2015. − V. 5, iss. 5. − P. 1401391—1401399. DOI: 10.1002/aenm.201401391Zheng Y., Zhang Q., Su X., Xie H., Shu S., Chen T., Tan G., Yan Y., Tang X., Uher C., Snyder G. J. Mechanically robust BiSbTe alloys with superior thermoelectric performance: A case study of stable hierarchical nanostructured thermoelectric materials. Adv. Energy Mater., 2015, vol. 5, no. 5, pp. 1401391—1401399. DOI: 10.1002/aenm.201401391Ravi, V. Thermal expansion studies of selected high−temperature thermoelectric materials / V. Ravi, S. Firdosy, T. Caillat, E. Brandon, K. Van Der Walde, L. Maricic, A. Sayir // J. Electronic Mater. − 2009. − V. 38, iss. 7. − P. 1433—1442. DOI: 10.1007/s11664-009-0734-2Ravi V., Firdosy S., Caillat T., Brandon E., Van Der Walde K., Maricic L., A. Sayir Thermal expansion studies of selected high− temperature thermoelectric materials. J. Electronic Mater., 2009, vol. 38, no. 7, pp. 1433—1442. DOI: 10.1007/s11664-009-0734-2Lognoné, Q. Quantitative texture analysis of spark plasma textured n−Bi2Te3 / Q. Lognoné, F. Gascoin, O. I. Lebedev, L. Lutterotti, S. Gascoin, D. Chateigner // J. Amer. Ceram. Soc.. − 2014. − V. 97, iss. 7. − P. 2038—2045. DOI: 10.1111/jace.12970Lognoné Q., Gascoin F., Lebedev O. I., Lutterotti L., Gascoin S., Chateigner D. Quantitative texture analysis of spark plasma textured n−Bi2Te3. J. Amer. Ceram. Soc., 2014, vol. 97, no. 7, pp. 2038—2045. DOI: 10.1111/jace.12970Nagami, Y. Preparation and Characterization of Bi0,4Sb1,6Te3 Bulk Thermoelectric Materials / Yuki Nagami, Kenji Matsuoka, Takahiro Akao, Tetsuhiko Onda, Takahiro Hayashi, Zhong−Chun Chen // J. Electronic Mater. − 2014. − V. 43, iss. 6. − P. 2262—2268. DOI: 10.1007/s11664-014-3038-0Yuki Nagami, Kenji Matsuoka, Takahiro Akao, Tetsuhiko Onda, Takahiro Hayashi, Zhong−Chun Chen. Preparation and characterization of Bi0,4Sb1,6Te3 bulk thermoelectric materials. J. Electronic Mater., 2014, vol. 43, no. 6, pp. 2262—2268. DOI: 10.1007/s11664-014-3038-0Лаврентьев, М. Г. Математическое моделирование процесса экструзии термоэлектрического материала / М. Г. Лаврентьев, М. В. Меженный, В. Б. Освенский, А. И. Простомолотов // Изв. вузов. Материалы электронной техники. − 2012. − № 3. − С. 35—40. DOI: 10.17073/1609-3577-2012-3-35-40Lavrent’ev M. G., Mezhenny M. V., Osvensky V .B., Prostomolotov A. I. Mathematical modeling of extrusion process of thermoelectric material. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 2012, vol. 3, pp. 35—40. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2012-3-35-40Егер, Дж. К. Упругость, прочность и текучесть / Дж. К. Егер. − М. : Машгиз, 1961. − 170 с.Eger J. K. Uprugost’, prochnost’ i tekuchest’ [Elasticity Strength and Fluidity]. Moscow: Mashgiz, 1961. 170 p.Horrobin, D. J. Die entry pressure drops in paste extrusion / D. J. Horrobin, R. M. Nedderman // Chemical Engineering Science. − 1998. − V. 53, iss. 18. − P. 3215—3225. DOI: 10.1016/S00092509(98)00105-5Horrobin D. J., Nedderman R. M. Die entry pressure drops in paste extrusion. Chemical Engineering Science, 1998, vol. 53, no. 18, pp. 3215—3225. DOI: 10.1016/S0009-2509(98)00105-5Tiernan, P. Modelling of cold extrusion with experimental verification / P. Tiernan, M. T. Hillery, B. Graganescu, M. Gheorghe // J. Materials Processing Technology. − 2005. − V. 168, iss. 2. − P. 360— 366. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.249Tiernan P., Hillery M. T., Graganescu B., Gheorghe M. Modelling of cold extrusion with experimental verification. J. Materials Processing Technology, 2005, vol. 168, no. 2, pp. 360—366. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.249Yang, J. Microstructure control and thermoelectric properties improvement to n−type bismuth telluride based materials by hot extrusion / J. Yang, R. Chen, X. Fan, W. Zhu, S. Bao, X. Duan // J. Alloys and Compounds. − 2007. − V. 429, iss. 1–2. − P. 156—162. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.04.030Yang J., Chen R., Fan X., Zhu W., Bao S., Duan X. Microstructure control and thermoelectric properties improvement to n−type bismuth telluride based materials by hot extrusion. J. Alloys and Compounds, 2007, vol. 429, no. 1–2, pp. 156—162. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.04.030Лаврентьев, М. Г. Расчетно−экспериментальное исследование формирования структуры термоэлектрического материала на основе твердых растворов халькогенидов висмута и сурьмы, полученных методом горячей экструзии / М. Г. Лаврентьев, В. Б. Освенский, М. В. Меженный, А. И. Простомолотов, В. Т. Бублик, Н. Ю. Табачкова // Термоэлектричество. − 2012. − № 4. − С. 36—42.Lavrentyev M. G., Osvensky V. B., Mezhennyi M. V., Prostomolotov A. I., Bublik V. T., Tabachkova N. Yu. Experiment−calculated study on structure formation of thermoelectric material based on solid solutions of bismuth and antimony chalcogenides prepared by hot extrusion method. Journal of Thermoelectricity, 2012, vol. 14, no. 4, pp. 33—38. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/jtherel_2012_4_6Меженный, М. В. Моделирование пластического состояния термоэлектрического материала на основе теллурида висмута в процессе горячей экструзии / М. В. Меженный, М. Г. Лаврентьев, В. Б. Освенский, М. В. Воронов, А. И. Простомолотов // Вестник ТГУ. − 2013. − Т. 18, вып. 4. − С. 1976—1981.Mezhenniy M. V., Lavrentyev M. G., Osvenskiy V. B., Voronov M. V., Prostomolotov A. I. Simulation of plastic state of thermoelectric bismuth telluride−based material during hot extrusion. Tambov University Reports. Series Natural and Technical Sciences, 2013, vol. 18, no. 4, pp. 1976—1981. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.