Участие в федеральных целевых программах
ОАО «Гиредмет» выполняет прикладное научное исследование (ПНИ) по Соглашению с Министерством образования и науки Российской Федерации о предоставлении субсидии от «22» июля 2014 года № 14.579.21.0039 по теме «Разработка технологии формирования и оптимизация архитектуры термоэлемента для термоэлектрических генераторов, работающих в широкой области температур» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы». Индустриальным партнером данного проекта выступает ОАО «Фомос-Материалс».
В ходе выполнения проекта на этапе №1 в период с 22.07.2014 г. по 31.12.2014 г. были проведены следующие работы:
- Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к теме ПНИ.
- Выбор направлений возможных направлений исследования и оптимальных вариантов решений поставленных перед ПНИ задач, проведение теоретических исследований.
- Разработка программы расчета многосекционной составной ветви.
- Расчет оптимальных размеров секций из низкотемпературного термоэлектрического материала для составной ветви.
- Разработка программы расчета температурных режимов процесса искрового плазменного спекания (ИПС) и геометрии матрицы пресс-формы.
- Расчет температурных режимов ИПС и базовой геометрии матрицы пресс-формы.
- Получение низкотемпературных материалов для составных ветвей для рабочего диапазона температур (20-300) ºС методами экструзии и направленной кристаллизации.
- Измерение температурных зависимостей термоэлектрических свойств материалов низкотемпературных секций.
- Проведение предварительных процессов формирования составных ветвей для температурного диапазона (20-300 °C) методом ИПС .
- Обоснование и выбор принципов измерения КПД термоэлемента.
- Исследование структуры низкотемпературных материалов для составной ветви термоэлемента.
При этом были получены следующие результаты: подготовлен промежуточный отчет о ПНИ, и отчет о патентных исследованиях.
В ходе выбора возможных направлений исследования и оптимальных вариантов решений, поставленных перед ПНИ задач предложен основной способ получения составных ветвей – метод искрового плазменного спекания (ИПС).
На основе теоретических и экспериментальных данных, в среде программирования Delphi разработана программа расчета многосекционной составной ветви, которая позволяет, учитывая контактное сопротивление и оптимизацию тока между секциями, рассчитать коэффициент полезного действия.
В среде Matlab разработана программа расчета температурных процессов искрового плазменного спекания и геометрии матрицы пресс-формы.
Работы по Соглашению о предоставлении субсидии выполняются в сроки и в соответствии с Планом–графиком исполнения обязательств и требованиями Технического задания.
На 2-ом этапе выполнения НИР получены следующие основные результаты:
1. Проведен расчет температурных профилей в спекаемом материале для двух видов структур: химически однородной и секционированной. Распределение температуры в установке для этих структур имеет симметричный характер. Использование цилиндрической конструкции матрицы пресс-формы приводит к созданию в образце градиента температур. Неоднородность химического состава секций спекаемого образца приводит к существенному изменению распределения тепловых полей в процесс ИПС.
2. Проведен расчет секций среднетемпературного термоэлектрического материала для составной ветви. Результаты расчета оптимальных границ длин секций в термоэлементе при контактном сопротивлении 10-5 Ом·см2составляют: для ветви n-типа 0-0,252-0,503-1, а для ветви p-типа 0-0,273-0,545-0,818-1. Кпд ветви n-типа составляет 13,5 %, плотность оптимального тока единицы длины ветви составляет 2800 А/м. Кпд ветви p-типа составляет 12,5 %, плотность оптимального тока единицы длины ветви составляет 2400 А/м. Кпд термоэлемента – 12,8 %, оптимальный ток 2600 А/м.
3. Методом искрового плазменного спекания получены образцы следующих составов для среднетемпературной секции составной ветви: PbTe1-xIx, GeTe, SnxPb1-xTe, ZnSb и Mg2Sn0,6Si0,4. Размер образцов: диаметр 20 мм, высота от 3 до 10 мм.
4. Измерение температурных зависимостей термоэлектрических свойств в интервале температур от комнатной до 6000С методом «раздельных» измерений. Максимальное значение безразмерной термоэлектрической эффективности ZTдля материала p-типа получено на образце GeTe cоставляет ~1,42 при температуре 5000С. Для материала n-типа – ZT=1,4 на образце PbTe.
5. Методом микроплазменного напыления на поверхность образцов для низко- и среднетемпературной секции былы нанесены антидиффузионные слои из тугоплавких материалов. Первым слоем использовали молибден, как наиболее химический стойкий элемент при контакте с теллуридами висмута, свинца и германия, а вторым слоем – никель, зарекомендовавший себя как хороший легкопаяемый металл слои покрытия Mo+Ni создают антидиффузионный барьер на границе раздела полупроводникового материала. Слой Ni впоследствии хорошо залуживается необходимыми припоями без опасности диффузии компонентов припоя в полупроводник через диффузионный барьер. Для среднетемпературных материалов PbTe и GeTe вторым слоем при напылении микроплазмой кроме никеля использовали железо и медь, обладающие достаточно высокими свойствами по электро- и теплопроводности.
6. Проведены структурные исследования среднетемпературных материалов методами рентгеновской дифрактометрии и растровой электронной микроскопии.
7. Исследована возможность получения среднетемпературных термоэлектрических материалов методом горячего прессования. Полученные образцы по своим механическим и термоэлектрическим свойствам не уступают образцам ИПС.
8. Были отработаны режимы формирования составных ветвей n-и p-типа проводимости методом искрового плазменного спекания. На полученных составных ветвях проведены измерены адгезии и контактного сопротивления. Исходя из результатов испытаний, выбраны оптимальные режимы получения составных ветвей. На основании этих данных была разработана лабораторная технологическая инструкция составных ветвей для диапазона температур (200С - 6000С) методом ИПС.
Полученные на данном этапе работ результаты соответствуют ожидаемым и не уступают мировому уровню.
Работы по соглашению о субсидии выполняются в сроки и в полном соответствии с пунктами 2.1 – 2.14 ПГ и с пунктами 3.4,3.5 требований ТЗ.
На данном этапе исполнения проекта охраняемые результаты интеллектуальной деятельности не получены.