Молодые ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) разработали концепт и создали образцы нового материала-термоэлектрика — бифазную нанокерамику на основе титаната стронция SrTiO3 и оксида титана TiO2. С ее помощью можно преобразовать бросовое тепло, которое составляет до 60% всего теплообмена и, как правило, списывается на потери, в электрическую энергию, а также защитить от перегрева изделия, эксплуатируемые при температуре более 1000°С.
Фото: MDPI AG
Фото: MDPI AG
Ученые ДВФУ в сотрудничестве с сотрудниками Института химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН) уже получили первые экспериментальные образцы бифазной нанокерамики. Материал обладает высокой механической прочностью, термической и химической стойкостью, в настоящее время ученые тестируют его термоэлектрические свойства.
Сейчас наиболее распространенные термоэлектрики — теллуриды висмута и свинца. Термоэлектрический эффект — это либо превращение разницы температур в электрический ток (это называется эффектом Зеебека по имени немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, описавшего явление в 1821 году), либо, наоборот, электрического тока в разницу температур (эффект Пельтье; по имени французского физика Жан-Шарля Пельтье, описавшего это явление в 1834 году).
«Многие технологические процессы сопровождаются выделением бросового тепла при высоких температурах. Например, даже температура внешней поверхности выхлопной трубы может составлять около 700°C. При таких условиях возрастает вероятность термического разрушения широко распространенных термоэлектриков на основе теллурида висмута Bi2Te3 и теллурида свинца PbTe, что несет за собой риски загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Поэтому перед нами стояла задача разработать качественный термоэлектрик, устойчивый к высоким температурам и химически стабильный»,— рассказал научный сотрудник Школы естественных наук ДВФУ Алексей Завьялов.
Именно он предложил состав двухфазной керамической системы на основе оксидов металлов — титаната стронция SrTiO3 и оксида титана TiO2. Оксиды обладают высокой термической и химической стойкостью при температурах свыше 1000°С, но сами по себе не отличаются высокими термоэлектрическими характеристиками. Бифазная структура и наноразмер зерен способствуют существенному повышению термоэлектрической эффективности.
Высокая плотность и механическая прочность нового материала, критически малые (наноразмерные) зерна и высокая концентрация межзеренных границ — важные характеристики для термоэлектрика в условиях экстремальных температур — были достигнуты за счет высокоскоростной консолидации нанопорошков под давлением — реакционного искрового плазменного спекания.
«Новый материал необходим не только для вторичной переработки бросового тепла, но и как компонент высокотехнологических приложений: выполняя роль “активного” теплового буфера, нанокерамика TiO2SrTiO3 может увеличить срок службы и пиковые характеристики изделий, которые эксплуатируются при температурах более 1000°С»,— рассказал старший научный сотрудник Центра НТИ ДВФУ, руководитель группы разработчиков новой керамики Денис Косьянов.
В 2018 году группа молодых ученых ДВФУ выиграла грант Российского фонда фундаментальных исследований на разработку новых материалов для лазерной техники на основе гетероструктур «оптическая керамика — термоэлектрик». Разработка концепции новой керамики — один из результатов работы по гранту.
По материалам статьи TiO2–SrTiO3 BiphaseNanoceramicsasAdvancedThermoelectricMaterials; AlexeyZavjalov, SergeyTikhonov, DenisKosyanov, журнал Materials, сентябрь 2019 г.