Bulk Nanocrystalline Thermoelectrics Based on Bi-Sb-Te Solid Solution

A nanopowder from p-Bi-Sb-Te with particles ~ 10 nm were fabricated by the ball milling using different technological modes. Cold and hot pressing at different conditions and also SPS process were used for consolidation of the powder into a bulk nanostructure and nanocomposites. The main factors allowing slowing-down of the growth of nanograins as a result of recrystallization are the reduction of the temperature and of the duration of the pressing, the increase of the pressure, as well as addition of small value additives (like MoS2, thermally expanded graphite or fullerenes). It was reached the thermoelectric figure of merit ZT=1.22 (at 360 K) in the bulk nanostructure Bi0,4Sb1,6Te3 fabricated by SPS method. Some mechanisms of the improvement of the thermoelectric efficiency in bulk nanocrystalline semiconductors based on BixSb2-xTe3 are studied theoretically. The reduction of nanograin size can lead to improvement of the thermoelectric figure of merit. The theoretical dependence of the electric and heat conductivities and the thermoelectric power as the function of nanograins size in BixSb2-xTe3 bulk nanostructure are quite accurately correlates with the experimental data.Comment: 35 pages, 24 figures, 4 tables, 52 reference

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ НА СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ ГОРЯЧЕЙ ЭКСТРУЗИИ

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.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

Получение материала на основе селенида меди методами порошковой металлургии

Copper selenide is a promising material for power generation in medium−temperature range 600—1000 K. A number of features of the Cu—Se system, i.e. the existence of a phase transition in Cu2Se compound, the high speed of Cu ion diffusion and the high vapor pressure of Se at high temperatures, necessitate massive experimental investigations aimed to develop and optimize a method for obtaining a copper selenide base bulk material. In this work the effect of mechanochemical synthesis mode and subsequent compaction method on the thermoelectric properties and structure of copper selenide were studied. The source material was obtained by mechanochemical synthesis. The hot pressing and spark plasma sintering methods were used for obtaining the bulk samples. The structure and phase composition were studied by X−ray diffraction and scanning electron microscopy. We show that increasing the time of mechanochemical synthesis to 5 hours leads to copper depletion of the powders and the formation of nonstoichiometric phase Cu1,83Se which persists after spark plasma sintering. Comparison of the structure and properties of the material obtained by spark plasma sintering and hot pressing showed that the material obtained by hot pressing has a greater degree of the grain defects. The highest thermoelectric efficiency ZT = 1.8 at 600 °C was observed in the material obtained by spark plasma sintering. We show that the main factor affecting the value of the thermoelectric efficiency ZT of the studied materials is the low thermal conductivity. The difference in thethermal conductivities of the materials obtained by different methods is attributed to the electronic component of thermal conductivity.Селенид меди — это перспективный материал для производства генераторов среднетемпературного диапазона 600—1000 К. Ряд особенностей системы Cu—Se, а именно: наличие фазового превращения в соединении Cu2Se, высокая скорость диффузии ионов Cu, высокая упругость паров Se при повышенных температурах делают актуальным проведение комплекса экспериментальных исследований по разработке и оптимизации методологии получения объемного материала на основе селенида меди. Исследовано влияние режимов механохимического синтеза и способа последующего компактирования на термоэлектрические свойства и структуру селенида меди. Исходный материал получен методом механохимического синтеза, объемные образцы — методами горячего прессования и искрового плазменного спекания. Структура и фазовый состав исследованы методами рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии. Показано, что увеличение времени механосинтеза до 5 ч приводит к обеднению порошков медью и образованию нестехиометрической β−фазы Cu1,83Se, которая сохраняется и после искрового плазменного спекания. Сравнение структуры и свойств материалов, полученных методом искрового плазменного спекания и горячим прессованием, показало, что материал, изготовленный методом горячего прессования, обладает большей степенью дефектности зерен. Наибольшей термоэлектрической эффективностью ZT = 1,8 при температуре 600 °С обладает материал, полученный искровым плазменным спеканием. Показано, что основным фактором, влияющим на значение термоэлектрической эффективности ZT исследуемых материалов, является низкая теплопроводность. Разница в значениях теплопроводности у материалов, полученных разными методами, связана с электронной составляющей теплопроводности

Influence of plastic formation parameters on structural characteristics of thermoelectric material during hot extrusion

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