Высокоэнтропийные сплавы для термоэлектрических применений

Введение

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) в последнее время стали перспективными материалами для высокотемпературных термоэлектрических приложений благодаря своим уникальным свойствам. Вот некоторые преимущества использования ВЭС для термоэлектрических приложений. Надеемся, что вы сможете лучше понять особенности и области применения высокоэнтропийных сплавов.

Что такое высокоэнтропийный сплав?

Высокоэнтропийный сплав - это тип сплава, содержащий не менее 5 элементов, доли которых равны или примерно равны. По сравнению с традиционными сплавами, они не имеют одного базового элемента, а состоят из нескольких основных элементов. Такой уникальный состав приводит к неупорядоченной структуре, высокой энтропии, а главное - к исключительным свойствам и применению.

HEA выделяются своими уникальными и впечатляющими свойствами, которыми не обладают обычные сплавы. К таким свойствам относятся высокая прочность, большая пластичность, высокая электропроводность и превосходная термическая стабильность. Эти сплавы обладают отличной износостойкостью, коррозионной стойкостью и высокотемпературными свойствами, что делает их идеальными материалами для работы в жестких условиях.

[1]

Рисунок 1. Примеры высокоэнтропийных сплавов

Благодаря таким структурным и функциональным свойствам высокоэнтропийные сплавы находят широкое применение, в том числе в аэрокосмической, автомобильной и биомедицинской промышленности. В этой статье мы рассмотрим высокоэнтропийные сплавы, используемые, в частности, для термоэлектрических приложений.

Что такое термоэлектрические материалы?

Популярность термоэлектрических технологий (ТЭ) стремительно растет по мере постоянного увеличения спроса на энергию. Во-первых, для удовлетворения растущего спроса на энергию используется большое количество возобновляемых источников энергии. С другой стороны, технология ТЭ является привлекательным вариантом, поскольку позволяет использовать энергию отработанного тепла. Кроме того, материалы ТЭ имеют небольшой рабочий размер и могут применяться для твердотельного охлаждения, портативной и носимой электроники и т. д.

Для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в технологии ТЭ используется широкий спектр современных материалов. Распространенными термоэлектрическими материалами являются материалы Цинтля, Хойслера, SiGe, MgSi, клатраты и CoSb3-Ba. Также полезны Pb(Te, Se, S)-SeTe, SiGe и скуттерудиты. [2] Однако в качестве новых передовых ТЭ-материалов с высокотемпературными свойствами появляются различные высокоэнтропийные сплавы.

[3]

Рисунок 2. Примеры материалов для ТЭ

Почему высокоэнтропийные сплавы подходят для термоэлектрических применений?

Высокоэнтропийные сплавы вполне подходят для применения в ТЭ благодаря следующим характеристикам.

-Высокая термическая стабильность

Во-первых, они демонстрируют высокую термическую стабильность благодаря высокой конфигурационной энтропии, которая приводит к случайному распределению атомов. Такая неупорядоченная структура снижает вероятность фазовых превращений даже при высоких температурах, что делает HEA превосходными материалами для термоэлектрических приложений.

--Высокая теплопроводность

Во-вторых, их металлическая природа обуславливает высокую теплопроводность, которая обеспечивает высокую подвижность электронов и низкое сопротивление потоку тепла. Это делает HEA превосходными материалами для ТЭ, поскольку высокая теплопроводность желательна для повышения эффективности теплопередачи в приложениях ТЭ.

--Высокая электропроводность

Помимо тепловых свойств, ГЭА обладают высокой электропроводностью, что позволяет эффективно преобразовывать тепло в электричество. Поэтому HEA становятся отличным выбором для термоэлектрической генерации энергии.

--Низкий коэффициент теплового расширения

Благодаря случайному расположению атомов HEA имеют низкий коэффициент теплового расширения. Это снижает вероятность возникновения теплового напряжения или деформации, что делает HEA отличными материалами для термоэлектрических приложений.

--Улучшенные механические свойства

Кроме того, неупорядоченная структура приводит к улучшению механических свойств HEAs, таких как высокая прочность и пластичность. Эти механические свойства делают HEA превосходными материалами для высокотемпературных термоэлектрических приложений, поскольку материалы с высокой прочностью и пластичностью необходимы для того, чтобы выдерживать суровые условия эксплуатации.

Заключение

Одним словом, HEA обладают многочисленными преимуществами для термоэлектрических приложений, включая высокую термическую стабильность, высокую тепло- и электропроводность, низкий коэффициент теплового расширения и улучшенные механические свойства. Эти уникальные свойства делают HEA перспективной альтернативой традиционным ТЭ-материалам и могут привести к созданию более эффективных и долговечных термоэлектрических устройств.

Stanford Advanced Materials (SAM) является надежным поставщиком высокоэнтропийных сплавов. Существует множество качественных HEA, используемых для термоэлектрических приложений, 3D-печати и т.д. Также доступны сплавы HEA различных форм и очертаний. Отправьте нам запрос, если вы заинтересованы.

Ссылки:

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, First-principles calculation of lattice distortions in four single phase high entropy alloys with experimental validation, Materials & Design, Volume 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Shafeie, Samrand & Guo, Sheng. (2020). Преимущества выбора и использования высокоэнтропийных сплавов для высокотемпературных термоэлектрических приложений. 10.1201/9780367374426-16.

[3] Zeng, Minxiang & Zavanelli, Duncan & Chen, Jiahao & Saeidi-Javash, Mortaza & Du, Yipu & LeBlanc, Saniya & Snyder, G. & Zhang, Yanliang. (2021). Печать термоэлектрическими красками для создания энергетических и тепловых устройств следующего поколения. Chemical Society Reviews. 51. 10.1039/D1CS00490E.