Механические свойства среднетемпературных термоэлектрических материалов на основе теллуридов олова и свинца

Проведено исследование прочностных характеристик и термоэлектрических свойств среднетемпературных поликристаллических образцов р- и n-типа проводимости PbTe и Sn_0,9Pb_0,1Te соответственно. Образцы получали методами экструзии и искровым плазменным спеканием. Изучение прочностных характеристик материала проведено методом одноосного сжатия при температуре от 20 до 500 °С. Структура полученных материалов исследована методами рентгеновской дифрактометрии и электронной микроскопии. Электропроводность и коэффициент Зеебека измерены одновременно с использованием четырехзондового и дифференциального методов. Температуропроводность и удельная теплоемкость определены методами лазерной вспышки и дифференциальной сканирующей калориметрии. Методом экструзии и искровым плазменным спеканием получены однофазные и однородные по составу образцы PbTe и Sn_0,9Pb_0,1Te. При сопоставимых методах получения плотность дислокаций в образцах Sn_0,9Pb_0,1Te была на порядок меньше, чем в образцах PbTe. Исследование механических характеристик образцов n- и р-типа проводимости в широком диапазоне температур от 20 до 500 °С показало, что деформация является пластической без признаков хрупкого разрушения. Для таких пластичных материалов за критерий прочности принимали условный предел текучести, соответствующий напряжению при деформации 0,2 %. Для PbTe и Sn_0,9Pb_0,1Te предел текучести при 20 °С был значительно выше у образцов, полученных методом экструзии. Независимо от температуры и метода получения образцы Sn_0,9Pb_0,1Te были прочнее, чем PbTe. Образцы PbTe и Sn_0,9Pb_0,1Te, полученные методом экструзии, обладают более высокими термоэлектрическими свойствами, чем образцы, полученные искровым плазменным спеканием. При этом теплопроводность образцов PbTe и Sn_0,9Pb_0,1Te практически не зависела от способа компактирования.

1. Hooshmand Zaferani S., Jafarian M., Vashaee D., Ghomashchi R. Thermal management systems and waste heat recycling by thermoelectric generators – an overview. Energies. 2021; 14(18): 5646. https://doi.org/10.3390/en14185646

2. Luo D., Sun Z., Wang R. Performance investigation of a thermoelectric generator system applied in automobile exhaust waste heat recovery. Energy. 2022; 238: 121816. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121816

3. Burnete N.V., Mariasiu F., Depcik C., Barabas I., Moldovanu D. Review of thermoelectric generation for internal combustion engine waste heat recovery. Progress in Energy and Combustion Science. 2022; 91(01): 101009. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2022.101009

4. Champier D. Thermoelectric generators: a review of applications. Energy Conversion and Management. 2017; 140: 167—181. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.02.070

5. Zhang X., Zhao L.-D. Thermoelectric materials: Energy conversion between heat and electricity. Journal of Materiomics. 2015; 1(2): 92—105. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2015.01.001

6. Wei J., Yang L., Ma Z., Song P., Zhang M., Ma J., Yang F., Wang X. Review of current hign-ZT thermoelectric materials. Journal of Materials Science. 2020; 55: 12642—12704. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04949-0

7. Shtern M., Rogachev M., Shtern Yu., Sherchenkov A., Babich A., Korchagin E., Nikulin D. Thermoelectric properties of efficient thermoelectric materials on the basis of bismuth and antimony chalcogenides for multisection thermoelements. Journal of Alloys and Compounds. 2021; 877: 160328. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160328

8. Ngan P.H., Christensen D.V., Snyder G.J., Hung L.T., Linderoth S., Nong N.V., Pryds N. Towards high efficiency segmented thermoelectric unicouples. Advanced Materials Physics. 2014; 211(1): 9—17. https://doi.org/10.1002/pssa.201330155

9. Shtern M.Yu., Rogachev M.S., Sherchenkov A.A., Shtern Yu.I. Development and investigation of the effective thermoelectric materials for the multisectional generator thermoelements. Materialstoday: Proceedings. 2020; 20(Part 3): 295—304.

10. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.066

11. Li W., Poudel B., Nozariasbmarz A., Sriramdas R., Zhu H., Kang H.B., Priya S. Bismuth telluride/half-heusler segmented thermoelectric unicouple modules provide 12% conversion efficiency. Advanced Energy Materials. 2020; 10(38): 2001924. https://doi.org/10.1002/aenm.202001924

12. Zhao J., Xu W., Kuang Z., Long R., Liu Z., Liu W. Segmental material design in thermoelectric devices to boost heat-to-electricity performance. Energy Conversion and Management. 2021; 247: 114754. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114754

13. Das Raghu. Thermoelectric Energy Harvesting 2014-2024: Devices, Applications, Opportunities. IDTechEx. 2014; 96.

14. Goldsmid H.J. Bismuth telluride and its alloys materials for thermoelectric generation. Materials. 2014; 7(4): 2577—2592. https://doi/10.3390/ma7042577

15. Maksymuk M., Parashchuk T., Dzundza B., Nykyruy L., Chernyak L., Dashevsky Z. Highly efficient bismuth telluride-based thermoelectric microconverters. Materials Today Energy. 2021; 21: 100753. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2021.100753

16. Zulkepli N., Yunas J., Mohamed M.A., Hamzah A.A. Review of thermoelectric generators at low operating temperatures: working principles and materials. Micromachines. 2021; 12(7): 734. https://doi.org/10.3390/mi12070734

17. Su Ch.-H. Design, growth and characterization of PbTe-based thermoelectric materials. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2019; 65(2): 47—94. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2019.04.001

18. Shtern Yu., Sherchenkov A., Shtern M., Rogachev M., Pepelyaev D. Challenges and perspective recent trends of enhancing the efficiency of thermoelectric materials on the basis of PbTe. Materialstoday: Communications. 2023; 37: 107083. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.107083

19. Knura R., Parashchuk T., Yoshiasa A., Wojciechowski K.T. Origins of low lattice thermal conductivity of Pb1-xSnxTe alloys for thermoelectric applications. Dalton Transactions. 2021; 50: 4323. https://doi.org/10.1039/D0DT04206D

20. Maduabuchi C. Thermo-mechanical optimization of thermoelectric generators using deep learning artificial intelligence algorithms fed with verified finite element simulation data. Applied Energy. 2022; 315(1): 118943. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.118943

21. Lee M.-Y., Seo J.-H., Lee H.-S., Garud K.S. Power generation, efficiency and thermal stress of thermoelectric module with leg geometry, material, segmentation and two-stage arrangement. Symmetry. 2020; 12(5): 786. https://doi.org/10.3390/sym12050786

22. Shtern M., Sherchenkov A., Shtern Yu., Borgardt N., Rogachev M., Yakubov A., Babich A., Pepelyaev D., Voloshchuk I., Zaytseva Yu., Pereverzeva S., Gerasimenko A., Potapov D., Murashko D. Mechanical properties and thermal stability of nanostructured thermoelectric materials on the basis of PbTe and GeTe. Journal of Alloys and Compounds. 2023; 946: 169364. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169364

23. Lavrentev M.G., Osvenskii V.B., Parkhomenko Y.N., Pivovarov G.I., Sorokin A.I., Bulat L.P., Kim H.-S., Witting I.T., Snyder G.J., Bublik V.T., Tabachkova N.Y. Improved mechanical properties of thermoelectric (Bi0,2Sb0,8)2Te3 by nanostructuring. APL Letters. 2016; 4(10): 104807. https://doi.org/10.1063/1.4953173

24. Zhu Yu., Wu P., Guo J., Zhou Y., Chong X., Ge Z., Feng J. Achieving a fine balance in mechanical properties and thermoelectric performance in commercial Bi2Te3 materials. Ceramics International. 2020; 46(10 Part A): 14994—15002. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.03.029