Диэлектрические и электрические свойства новой бессвинцовой керамики BiKScNbO6
Н.А. Толстых, аспирант, В.В. Макарова, студентка гр. ПФм-111, Кафедра физики твёрдого тела
На сегодняшний день сегнетоэлектрические материалы, используемые в различных областях промышленности, как правило, основаны на соединениях со структурой перовскита и значительную долю занимают в них материалы, базирующиеся на твердых растворах Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) [1]. Однако их получение связано с обработкой соединений, содержащих свинец, что наносит большой вред окружающей среде и здоровью человека. В связи с этим ведётся поиск высокоэффективных сегнетоэлектрических материалов, способных заменить PZT и не содержащих в своём составе свинца.
По стандартной керамической технологии был синтезирован новый бессвинцовый материал с формулой BiKScNbO6, в котором ранее теоретически было предсказано возможное возникновение сегнетоэлектрического состояния [2]. В результате рентгенодифракционного структурного анализа полученной керамики было установлено, что материал является двухфазным с равными долями фаз со структурой перовскита и со структурой пирохлора.
Проведены измерения диэлектрических свойств при различных частотах и электрического сопротивления на постоянном токе в широком интервале температур. Результаты исследования приведены на рисунке. В области температур 40 – 350ºC на частотах 10 kHz – 1 MHz обнаружен процесс диэлектрической релаксации (рисунок (а) и (б)) с энергией активации релаксационного процесса U = 1,36 эВ и предэспоненциальным множителем в уравнении Аррениуса τ0 = 6,8 · 10-8 c.
a) б) в) Температурные зависимости диэлектрической проницаемости (a), тангенса угла диэлектрических потерь (б) и электрического сопротивления (в) для керамического материала BiKScNbO6.
|
На рисисунке (в) наблюдается чётко выраженный пик электрического сопротивления в области температур 20 – 200 оС.
Литература
1. Глозман И.А. Пьезокерамика. М: Энергия, 1972. 288 с.
2. Зиненко В.И., Замкова Н.Г., Павловский М.С. Структурная и сегнетоэлектрическая неустойчивости в двойных перовскитах A+1BiB+3NbO6 // Тезисы докладов 19-й Всероссийской конференции, 20-23 июня 2011 г., Москва. – М.: МИРЭА, 2011. С.54.
УДК 537.323
Оптимизация термоэлектрического генератора на базе трубчатых модулей
А.Г. Чуйко, аспирант, Ю.Е. Калинин, Ю.П. Прилепо
Кафедра физики твердого тела
ОАО «Корпорация НПО «РИФ»
Современные проблемы энергетики, такие как резкий рост потребления энергии, возросшие требования к охране окружающей среды, и в связи с этим использование бросового тепла и создание когенерационных систем в эксплуатируемых энергоустановках, расширяю-щийся объем использования возобновляемых источников энергии, повышение их автономности и надежности, увеличение ресурса работы таких энергоустановок, неразрывно связаны с разви-тием термоэлектрического генерирования электроэнергии. Автономные термоэлектрические источники тока (АИТТ), основным, базовым элемен-том конструкции которого является термоэлектрический генератор (ТЭГ), предназначены для катодной защиты магистральных газопроводов, питания объектов технологической связи и телеметрии, промысловых систем сбора и подготовки газа к транспорту, энергообеспечения удаленных объектов и т.д.
В существующих на сегодняшний день ТЭГ для преобразования тепловой энергии в электрическую применяются термоэлектрические батареи (ТБ) плоской и кольцевой геометрии. Отличие термоэлектрического генератора, как энергетической установки, заключается в том, что основной ключевой элемент конструкции – термоэлектрическая батарея работает в условиях искусственно созданного значительного, до нескольких сотен градусов, градиента температуры. И этот градиент создан в элементе конструкции высотой, как правило, не более двух десятков миллиметров, а при высокой плотности теплового потока – даже в пределах 3-5 мм. При этом для создания такого градиента температур необходимы весьма низкие термические сопротивления в конструктивных слоях теплопередающей системы, обеспечивающей подвод и сброс тепла в ТЭГ. В ТЭГ плоской конструкции тепловые сопряжения в конструктивных слоях обеспечиваются сжатием контактирующих поверхностей или путем создания неразъемных соединений пайкой или диффузионной сваркой поверхностей. Однако неразъемные соединения, обеспечивая низкие термические сопротивления, не всегда обеспечивают необходимую механическую прочность конструкции ТБ.
Трубчатые термоэлектрические модули (ТЭМ) с радиально – кольцевыми термобатареями хорошо компонуются в виде трубных теплообменных аппаратов и позволяют набирать по интегральной схеме ТЭГи мегаваттной мощности. Трубчатая конструкция ТЭМ обладают повышенной удельной мощностью, которая колеблется от 1,5 до 65 Вт/кг. При подведении теплового потока к внутреннему диаметру возникающие термические расширения прижимают термоэлементы к наружной трубе, при этом снижаются термические сопротивления в конструктивных слоях. В трубчатой конструкции термоэлектрического модуля (ТЭМ) значи-тельно проще организовать контролируемую атмосферу из инертных газов при значительном их давлении внутри полости. Большое давление практически подавляет сублимацию термоэлектри-ческого материала, особенно вылет теллура, имеющего высокое давление пара при сублимации. Это позволяет даже ветви из среднетемпературного материала, работающего при температуре до 500 0С применять без эмалевого антисублимационного покрытия. Такие модули выдерживают до 1500 термоциклов нагрев – охлаждение. В конструкции практически отсутствуют тепловые мосты, паразитные перетоки тепла осуществляются только через концевые детали. Поэтому, очевидно, чем больше рабочая длина ТЭМ, тем меньше доля паразитных теплоперетоков.
Использование в ТЭГ радиально – кольцевых ТЭБ с повышенными удельными характеристиками и термостойкостью значительно повысит технические характеристики генератора, такие как генерируемая электрическая мощность, КПД, надежность и срок эксплуатации. Блочное построение АИТТ на базе ТЭГ позволит создавать автономные источники тока большой мощности.
УДК 538.945