Результаты. Практическая значимость. Ключевые слова. Введение. Моделирование процесса

Результаты

В результате компьютерного моделирования процесса спекания получены теплофизические и электрические характеристики неоднородных образцов, затем они сравниваются с однородным образцом.

Практическая значимость

Определено и проанализировано влияние неоднородностей

Ключевые слова

Искровое плазменное спекание, термоэлектрические материалы, термоэлектрическая добротность, компьютерное моделирование, теплопроводнсть, электропроводность.

Введение

Метод искрового плазменного спекания зарекомендовал себя как один из наиболее эффективных методов получения однородных объемных структур. В установках производится спекание микро- и нанопоршков путем воздействия импульсов постоянного электрического поля. Данный метод уменьшает возможность рекристаллизации, т.е. процесса ‘’слипания’’ наночастиц и увеличения их размера. В следствие такого процесса, в материале появляются микронеоднородности, снижая добротность за счет уменьшения интенсивности дополнительного рассеяния фононов . А существенное повышение добротности наблюдается только на наноуровне. Следовательно, важно проследить влияние факторов, создающих неоднородность структуры термоэлектрика. В данной работе используется теллурид висмута с имитированными вставками, имеющими аналогичные свойства, за исключением коэффициентов тепло- и электропроводности, которые были уменьшены, а в другом случае - увеличены на 10%.

Моделирование процесса

Установка SPS-511S представлен на рис.1, где

1,2- стальные электроды

3,4- графитовые ставки

5,6- графитовые пуансоны

7- спекаемый образец

8- пресс-форма (графитовая матрица)

Геометрические размеры модели следующие:

Графитовые вставки(D=80мм, h=60мм)

Графитовые пуансоны(D=20мм,H=20мм)

Пресс-форма (D=80мм,d=20мм, h=40мм)

Образец (D=20мм,h=5мм)

В системы с неоднородностями были включены шарообразные вставки диаметром 0.5 мм. Расположение вставок показано на рис.2,3,4.

При расчете данной модели, используется система дифференциальных уравнений распределения электрического потенциала и температуры. Также записываются законы Ома и Фурье:

V), ,

где j-плотность потока заряда,

q-плотность потока тепла,

Законы сохранения заряда и энергии:

div j=0, ,

удельная теплоемкость при постоянном давлении

ρ- плотность материала

Уравнение, учитывающее теплоту Джоуля:

Ток, протекающий через установку и образец, является генератором теплоты, распределяющейся за счет теплопроводности.

Граничные условия по потенциалу описываются через заданное значение тока, проходящего через образец, и нулевое значение тока на нижнем электроде. Тепловые граничные условия описываются как излучательный отвод теплоты от боковых стенок пресс-формы через выражение для переноса тепла между двумя поверхностями. Поверхности находятся при температурах Т и Т₀, коэффициенты излучения ε₁ и ε_2.

Отвод тепла от горячей стенки:

где =5,670Вт*м^-2К^-4

-постоянная Стефана-Больцмана,

ε_графит=0,75 ε_сталь=0,675

Граничные условия для водяного охлаждения соответствуют конвективному теплообмену

=370 Вт/м²К^-4

При вводе свойств Bi₃Te₃, учитывалась зависимость кинетических коэффициентов от температуры, все значения были проинтерполированны. Также была учтена анизотропная природа материала за счет ввода коэффициентов для изотропного поликристалла, рассчитанные ранее: σ_poly/σ₁₁=0.74 и κ_poly/κ₁₁=0.79

Основные результаты

⇐ Предыдущая 12