Материал: Перспективные методы создания новых функциональных материалов. тезисы докладов открытого регионального семинара
УДК 621.74
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОСТАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА ОТЛИВОК
Л.С. Печенкина студент гр.ЛП-141 А.Д. Пронская
кафедра материаловедения и физики металлов ВГТУ
Специальные стали и сплавы содержат большое количество легирующих элементов, некоторые из которых в условиях вакуума имеют значительный угар. И даже при использовании вакуумного возврата необходимо восполнять потери дорогостоящих легирующих компонентов, что несет большие экономические потери [1]. Метод залечивания глубоко залегающих пустот и пор в слитках с помощью горячего изостатического прессования (ГИП) – это процесс уплотнения или соединения материалов при высоких температурах и высоких всесторонних давлениях. ГИП стали широко использовать как метод удаления внутренних дефектов в материалах, полученных традиционными способами, например, литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ), и особенно для залечивания пор в отливках. Основные преимущества ГИП: снижение пористости в отливках и залечивание усадочных раковин; улучшение механических свойств материала; уменьшение разброса свойств материала из-за выравнивания плотности отливок [2].
На базе Комплекса металлургического производства КБХА проанализировано внедрение высокотемпературной газостатической обработки (ВГО) отливок из коррозионностойкой стали 08Х14Н7МЛ (ГОСТ 977 – 88), в основе которой лежат принципы процесса ГИП.
Были обобщены сравнительные результаты рентгеноконтроля до и после ВГО отливок корпусов подвода, которые показали, что вследствие ВГО по установленным режимам в отливках частично или полностью залечиваются дефекты, результаты химического анализа свидетельствуют о соответствии указанных материалов требованиям нормативно – технической документации, металлографических исследований показывающих плотную макроструктуру отливок до и после ВГО и испытаний механических свойств материалов показывающих, что ВГО отливок не изменяет их прочностных свойств, но улучшает пластические. Обнаруженные дефекты и результаты ВГО представлены на рисунке.
По результатам исследований можно подтвердить эффективность установленных технологических режимов ВГО отливок корпусов подвода. Применение ГИП повышает выход годного, устраняет пористости, ведущие к уменьшению опасности преждевременного разрушения; увеличивает механических свойства, позволяющие сократить периодичность контроля, брак и объем ремонтных работ, связанных с подповерхностными дефектами.
На основании вышеизложенного, можно рекомендовать внедрение ВГО либо в новые проектируемые, либо в действующие цеха ЛВМ из специальных сталей, совмещая литейное производство и участки ВГО.
Литература
1.Джеймс П.Дж. Процессы изостатического прессования / П.Дж. Джеймс. – М.: Металлургия, 1990. – 192 с.
2.Оспенникова О.Г. Исследование влияния газостатирования отливок из жаропрочных сплавов / О.Г. Оспенникова // Двигатель. – 2008. - № 1 (55) – С. 8 – 10.
9
УДК 537.323
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗАПОЛНЕННЫХ СКУТТЕРУДИТОВ
студент гр. ПФм-161 И.И. Попов, С.А. Гриднев
кафедра физики твердого тела ВГТУ
Эффективность термоэлектрических материалов определяется безразмерной термоэлектрической добротностью ZT = σα2T / k, где σ, α, T и k – это удельная электропроводность, коэффициент Зеебека, абсолютная температура и удельная теплопроводность, соответственно.
Была выдвинута идея о создании вещества, которое плохо проводит тепло и хорошо – электричество (концепция «фононное стекло – электронный кристалл»). Скуттерудиты были первыми объектами, исследованными в рамках этой концепции. Такие соединения описываются общей формулой МХ3, где М – атомы переходного металла 8 или 9-й группы, а Х – атомы пникогена (P, As или Sb). Элементарная кристаллическая ячейка скуттерудита состоит из 32 атомов, из них 8 атомов переходного металла образуют примитивную кубическую упаковку, а остальные 24 атома пникогена занимают позиции в шести из восьми октантов.
Сочетание большой подвижности носителей заряда и эффективной массы привели к исключительно высоким значениям фактора мощности α2σ более 3·10-3 Вт / м·K2 для образцов n- и p-типа. Однако и значение теплопроводности оказалось очень большим, что делает незаполненные скуттерудиты менее привлекательными для термоэлектричества.
Заполненные скуттерудиты отличаются от незаполненных тем, что в два вакантных октанта внедряются атомы других ме-
|
таллов, при этом основная решетка не |
|
|
изменяется и остается стабильной. Та- |
|
|
кие соединения описываются общей |
|
|
формулой АхМ4Х12, где А – атомы ще- |
|
|
лочного, щелочноземельного, редкозе- |
|
|
мельного металла, индия или олова. |
|
|
В заполненных |
скуттерудитах |
|
колебания гостевого атома, слабо свя- |
|
|
занного с решеткой, в наноразмерных |
|
|
пустотах вызывают рассеяние фононов, |
|
|
переносящих тепло. Внедренный атом |
|
|
практически не влияет на электрические |
|
|
свойства кристалла, но он обладает соб- |
|
|
ственными тепловыми |
колебаниями, |
|
которые могут вступать в резонанс с ко- |
|
|
лебаниями решетки, что приводит к до- |
|
1 – Yb0,19Fe4Sb12; 2 – CeFe3CoSb12 |
полнительному рассеянию фононов и, |
|
Температурные зависимости термоэлектрической доб- |
следовательно, к уменьшению решеточ- |
|
ротности заполненных скуттерудитов |
ной теплопроводности kр, приводящей к |
|
|
росту ZT (рисунок) [1]. |
|
Видно, что для заполненного скуттерудита CeFe3CoSb12 при температуре 900 К термоэлектрическая добротность достигает значения ZT = 1,4, что делает его перспективным генераторным материалом.
Литература 1. Шевельков А.В. Химические аспекты создания термоэлектрических материалов / А.В.
Шевельков // Успехи химии. – 2008. – Т. 77. – №1. – С. 3-21.
10
УДК 669.777
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ PbTe
студент гр. ПФм-161 Г.С. Рыжкова,
кафедра физики твердого тела ВГТУ
В настоящее время все старания исследователей термоэлектричества направлены на повышение значений добротности материала ZT. Известно, что одним из способов повышения термоэлектрической добротности является понижение теплопроводности в системах пониженной размерности в результате рассеяния фононов на поверхностях и границах раздела. Решением этой проблемы могут оказаться создание нанокомпозитов
(НК).
PbTe является одним из лучших термоэлектрических материалов, используемых в режиме средней температуры. Нанокомпозиты на основе материалов PbTe-AgSbTe2 (или AgPbmSbTe2 + m) впервые были изучены в работе [1]. Они обнаружили максимум ZT ≈ 2,2 при Т = 800 К в AgPbmSbTe2 + m с наноразмерной кристаллической структурой с наночастицами Ag-Sb [2,3]. На рисунке 1 показано ПЭМ-изображение НК на основе AgPb18SbTe20 с нанометровыми частицами Ag-Sb.
Рис.1. ПЭМ-изображение НК на основе AgPb18SbTe20 с нанометровыми частицами Ag-Sb.
На рисунке 2 показаны термоэлектрические свойства в этих нанокомпозитах. Чрезвычайно большой коэффициент мощности 28 мкВт/см К2 при 700 К получается изза электропроводности, равной значению около 0,25 105 См/м (показано на рисунке 2а) и большого коэффициента Зеебека равный -335 мкВ/К (показано на рисунке 2б). Вместе с низкой теплопроводностью (рис. 2в) получается ZT ~ 2,2 при 800 К (рис. 2г).
Таким образом, в последнее время теоретически предложен и экспериментально синтезирован нанокомпозит, который является высокоэффективным термоэлектрическим материалом за счет уменьшения теплопроводности решетки и повышения электронной проводимости.
|
Литература |
|
|
1. K.F. Hsu, S. Loo, F. Guo, W. Chen; |
|
|
J.S. Dyck, C. Uher, T. Hogan, E.K. |
|
|
Polychroniadis, M.G. Kanatzidis // Science. |
|
|
– 2004. – Vol.303. – Р. 818–821. |
|
Рис.2. Температурная зависимость а - электропроводности; |
2. X.Z. Ke, C.F. Chen, J.H. Yang, L.J. |
|
Wu, J. Zhou, Q. Li, Y.M. Zhu, P.R.C. Kent |
||
б - коэффициента Зеебека; в - теплопроводности; и г - ZT |
||
// Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 103. – Р. |
||
нанокомпозита на основе AgPb18SbTe20 |
||
145502. |
||
|
||
|
3. E. Quarez, K.F. Hsu, R. Pcionek, N. |
Frangis, E.K. Polychroniadis, M.G. Kanatzidis // J. Am. Chem. Soc. – 2005. – Vol. 127. – Р. 9177–9190.
11
УДК 538.9:621.382
ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОММУТАЦИОННЫХ СЛОЁВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЕТВЯХ n-ТИПА
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРНЫХ БАТАРЕЙ
С.Б. Кущев,1 В.А. Дыбов,1 Д.В. Сериков,1 Е.Н. Федорова,2 студент ТФ-141 А.О. Росляков, студент ТФ-141 М.А. Погорелова
1кафедра физики твердого тела ВГТУ
2кафедра материаловедения и физики металлов ВГТУ
В работе представлены результаты исследования влияния способов подготовки поверхности на фазовый состав, структуру и механические свойства полупроводниковых ветвей n-типа на основе твердого раствора Bi2Te3-Bi2Se3.
Подготовку поверхности полупроводниковых ветвей производили следующими способами: механической полировкой; механической полировкой с последующей импульсной фотонной обработкой (ИФО) в атмосфере Ar (доза излучения 125 Дж/см2); механической полировкой с последующей электрохимической полировкой (ЭХП) в водном растворе
NaOH + H2C4H4O6 + C3H5(OH)3. Финишную очистку поверхности всех ветвей производили
путем ультразвукового диспергирования (УЗД). Барьерный (антидиффузионный) слой Mo, толщиной 0,3 мкм и коммутационный слой Ni, толщиной 0,3 мкм, наносили на поверхность ветвей в процессе магнетронного
распыления.
По результатам рентгеновской дифрактометрии (РД) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) установлено, что в результате механической полировки, ИФО, ЭХП фазовый состав приповерхностного слоя термоэлектрических ветвей не изменился (рис.). Механическая полировка и ИФО приводили к рекристаллизации зерен в приповерхностном слое и образованию зерен с произвольной ориентацией.
По результатам исследования методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) установлено, что рельеф поверхности ветвей после механической полировки с последующими ЭХП и УЗД неоднородный, с преобладанием протяженных углублений над остальными дефектами поверхности, величина которых составила 90 нм. Барьер рельефа при использовании ЭХП свидетельствует о селективности травления поверхности ветвей.
По результатам измерительного наноиндентирования установлено, что механическая полировка с последующим УЗД и механическая полировка с последующими УЗД и ИФО приводят к образованию упрочненного приповерхностного слоя вет-
вей, величина твердости и модуль Юнга |
|
Rсдвиг,, |
Характер разру- |
|
|
МПа |
шения |
||
которого на 30 %. превышают твердость |
|
|||
Без обработки |
1,3 |
когезионный |
||
и модуль Юнга исходных ветвей (таб- |
||||
|
|
|
||
Мех. полировка + УЗД |
5,6 |
смешанный |
||
лица). По результатам испытаний на |
||||
Мех. полировка + УЗД + ИФО |
5,5 |
адгезионный |
||
сдвиг было установлено, что величина |
||||
|
|
|
||
Мех. полировка + ЭХП + УЗД |
2,3 |
когезионный |
||
адгезии покрытия Mo+Ni на образцах |
после проведения механической полировки с последующими УЗД и ИФО увеличилась по сравнению с образцами без обработки более чем в 4 раза.
12
УДК 538.935
ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
ВМНОГОСЛОЙНОЙ НАНОСТРУКТУРЕ Mg/NbO
студент гр. ПФм-161 А.Н. Смирнов, О.В. Стогней
кафедра физики твердого тела ВГТУ
Вработе изучено влияние термического отжига на фазовые превращения в многослойных наноструктурах Mg/NbO в зависимости от толщины слоёв магния. Многослойная структура (Mg/NbO)82 (индекс 82 означает количество бислоёв) была получена методом ион- но-лучевого распыления оксидной (NbO) и металлической (Mg) мишеней с последующим осаждением материала на подложки, вращающиеся вокруг мишеней. Магний напылялся на подложки через V-образный экран, в то время как оксид ниобия осаждался без использования экрана, поэтому полученные многослойные образцы отличались друг от друга толщиной сло-
ёв магния. Толщина слоев оксида ниобия во всех случаях составляла примерно 0,96 нм [1]. Установлено, что отжиг, проводимый при 450 оС, не приводит к разрушению много-
слойной структуры в исследованных образцах, однако, способствует фазовым превращениям
вслоях многослойных пленок. Исследованы температурные зависимости сопротивления образцов с разной толщиной слоя магния и установлено, что характер зависимости определяется
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
толщиной магниевых прослоек. Для образцов с |
|
108 |
|
|
|
|
|
|
|
толщиной магния от 2 до 3 нм температурная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
107 |
1 |
|
|
|
|
|
|
зависимость сопротивления (см. рис.) подобна |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
106 |
|
|
|
|
|
|
|
аналогичным зависимостям, полученным для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ом |
105 |
3 |
|
|
|
|
|
|
композитов. При увеличении толщины магния |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
R, |
104 |
|
|
|
|
|
|
|
до 4 - 6 нм, наблюдается резкий и значительный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
103 |
4 |
|
|
|
|
|
|
рост сопротивления образцов при температуре |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
102 |
5 |
|
|
|
|
|
|
ᵒ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
430 С (см. рис.). Предполагается, что увеличе- |
|
10 |
1 |
6 |
|
|
|
|
|
|
ние электросопротивления при нагреве связано с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
|
|
|
|
окислением проводящих магниевых слоев. На- |
|||||||
Температурная зависимостьT, oCсопротивления много- |
||||||||||
слойной структуры (Mg/NbO)82 с различной тол- |
личие сравнительно высокой проводимости в |
|||||||||
щиной бислоя: 1 - 2,3 нм; 2 - 2,5 нм; 3 - 2,8 нм; 4 – 3,4 |
этих образцах при более высокой температуре |
|||||||||
нм; 5 – 4,4 нм; 6 - 6 нм.5 – 4,4 нм; 6 - 6 нм. |
|
|
(450 - 550 °С) по всей видимости обусловлено |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
проводимостью через слои, содержащие гранулы чистого ниобия, восстановленные из оксида |
||||||||||
ниобия в результате термического отжига. Предполагается, что при нагреве нестехиометрич- |
||||||||||
ный оксид ниобия начинает разлагаться и освободившийся кислород захватывается химиче- |
||||||||||
ски более активным магнием, образуя соответствующий оксид. Формирование ниобия под- |
||||||||||
тверждается рентгеноструктурным анализом. Несмотря на восстановление ниобия, сопротив- |
||||||||||
ление образцов составляет большую величину (~ 10 кОм). Это свидетельствует о том, что об- |
||||||||||
разовавшийся ниобий представляет собой отдельные металлические гранулы в матрице ди- |
||||||||||
электрика, поэтому проводимость через эти слои является неметаллической. Таким образом, |
||||||||||
после высокотемпературного отжига структура многослойной системы Mg/NbO претерпевает |
||||||||||
значительные изменения, которые влияют на электрические свойства системы. |
||||||||||
|
|
|
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 15-02-05920. |
|||||||
Литература
1. Стогней О.В., А.Н. Смирнов, А.В. Ситников Получение многослойных образцов Mg/NbO Вестник ВГТУ. - 2016. - Т. 12- № 6. - С. 18 – 23.
13