Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Characterization of the starting materials for functionally graded thermoelectric materials for pseudobinary system of Bi2Te3-Sb2Te3

Januszko K., Chetty R., Mashimo T., Wojciechowski K.T.

Mechanik

|

2016

|

R. 89, nr 5-6

522--523

EN

Samples of Bi-Sb-Te system were prepared by solid state synthesis from pure elements, microstructure and thermoelectric properties were characterized. From obtained powders segmented samples were construct-ed in order to confirm change of the thermoelectric properties with composition. Segmented element is expected to have better efficiency.

PL

Próbki otrzymane w wyniku syntezy z czystych pier-wiastków zostały scharakteryzowane pod względem mikrostruktury i właściwości termoelektrycznych. Z otrzymanych proszków skonstruowano element seg-mentowy i potwierdzono zmianę właściwości termoelektrycznych ze zmianą składu chemicznego. Przewiduje się podwyższoną sprawność takiego elementu.

2

Analiza składu chemicznego i fazowego domieszkowanego Mg2Si otrzymywanego na drodze bezpośredniej reakcji z substratów

Nieroda P., Wojciechowski K. T.

Materiały Ceramiczne

|

2014

|

T. 66, nr 4

429--434

PL

Celem pracy było eksperymentalne zbadanie możliwości wprowadzenia do struktury Mg2Si wcześniej nie badanych domieszek, tj. In, Ce i B, mogących korzystnie wpływać na właściwości termoelektryczne otrzymanych materiałów. W celu weryfikacji zastosowanej metody badawczej przeprowadzono również badania porównawcze dla dobrze znanych domieszek, takich jak Sn, Ge oraz Bi. Syntezę materiałów polikrystalicznych o składach nominalnych Mg2Si0,9A0,1 (A = Sn, Ge, Bi, In lub B) i Mg1,8Ce0,2Si prowadzono w szczelnie zamkniętych ampułach tantalowych (T = 1073 K, t = 7 dni) w obecności stopionego Mg. Otrzymane w ten sposób produkty reakcji zostały zagęszczone przy użyciu techniki SPS (ang. spark plasma sintering), (T = 1023 K, t = 15 min, p = 30 MPa). Skład chemiczny wykonanych zgładów badano przeprowadzając analizę punktową oraz liniową składu chemicznego przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego SEM z przystawką do analizy składu chemicznego EDS. Przeprowadzone badanie nie wykazały obecności domieszki In, B i Ce w ziarnach otrzymanych próbek, co może świadczyć o braku ich rozpuszczalności w strukturze Mg2Si.

EN

The aim of the study was to experimentally investigate the possibility of introducing dopants into the Mg2Si structure that include In, Ce and B and have not yet been studied, but could favourably affect the thermoelectric properties of the materials obtained. In order to verify the test methods comparative tests were also carried out for well-known dopants of Sn, Ge and Bi. The synthesis of polycrystalline materials with nominal compositions of Mg2Si0.9A0.1 (A = Sn, Ge, Bi, In or B) and Mg1.8Ce0.2Si was carried out in sealed tantalum ampoules (T = 1073 K, t = 7 days) in the presence of molten Mg. The reaction products were consolidated using the PECS technique (Pulsed Electric Current Sintering Technique), using T = 1023 K, t = 15 min and p = 30 MPa. The chemical composition of polished specimens was studied by carrying out point and linear analyses, using a scanning electron microscope with an EDS attachment for chemical composition analysis. The study did not reveal the presence of In, B and Ce dopants in grains of the received samples, which may indicate a lack of solubility in the structure of Mg2Si.

3

Prototypical thermoelectric generator for waste heat conversion from combustion engines

Wojciechowski K. T., Merkisz J., Fuć P., Tomankiewicz J., Zybała R., Leszczyński J., Lijewski P., Nieroda P

Combustion Engines

|

2013

|

R. 52, nr 3

60--71

EN

The work presents experimental results of performance tests and theoretical calculations for the thermoelectric generator TEG fitted in the exhaust system of a 1.3 dm3 JTD engine. Benchmark studies were carried out to analyze the performance of the thermoelectric modules and total TEG efficiency. Additionally the investigation of combustion engine’s power drop casued by exhaust gases flow resistance is presented. The detailed studies were performed using a new prototype of the thermoelectric generator TEG equipped with 24 BiTe/SbTe modules with the total nominal power of 168 W. The prototypical device generates maximal power of 200 W for the exhaus gases mass flow rate of 170 kg·h–1 and temperature of 280°C. Power drop caused by the flow resistance of gases ranges between 15 and 35 mbar for mass flow rate 100–180 kg·h–1. We predict that the application of the new thermoelectric materials recently developed at AGH would increase the TEG power by up to 1 kW, would allow the increase of the powertrain system efficiency by about 5%, and a corresponding reduction of CO2 emission.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i obliczeń teoretycznych dla generatora termoelektrycznego TEG zaimplementowanego w układzie wylotowym silnika 1,3 JTD. Badania przeprowadzono w celu analizy sprawności modułów termoelektrycznych oraz całkowitej sprawności generatora TEG. Dodatkowo w pracy zaprezentowano badania strat mocy silnika spowodowane oporem przepływu gazów wylotowych. Szczegółowe badania przeprowadzono przy użyciu nowego prototypu generatora termoelektrycznego TEG wyposażonego w 24 moduły BiTe/SbTe o łącznej mocy 168 W. Badany generator wytwarza moc maksymalną 200 W przy temperaturze 280°C i masowym natężeniu przepływu gazów wylotowych 170 kg·h–1. Wymiennik ciepła generatora TEG wywołuje opory przepływu gazów w zakresie 15–35 mbar dla natężeń przepływu 100–180 kg·h–1. Przewidywane jest również zastosowanie opracowanych na AGH nowych materiałów termoelektrycznych, które umożliwiłoby zwiększenie mocy generatora do 1 kW, podniesienie całkowitej sprawności układu napędowego o ok. 5% i odpowiednie zmniejszenie emisji CO2.

4

Właściwości termoelektryczne Mg2Si otrzymywanego techniką SPS

Nieroda P., Zybała R., Wojciechowski K. T.

Materiały Ceramiczne

|

2012

|

T. 64, nr 4

490-493

PL

Przedmiotem pracy było otrzymanie jednofazowego polikrystalicznego Mg2Si na drodze bezpośredniej reakcji pomiędzy krzemem i magnezem przy zastosowaniu techniki SPS (ang. Spark Plasma Sintering). Zarówno synteza jak i zagęszczanie materiału odbywało się w matrycach grafitowych w aparaturze SPS. W celu określenia składu fazowego wytworzonych próbek przeprowadzono badania metodą dyfrakcji rentgenowskiej XRD. Mikrostrukturę materiałów oraz skład chemiczny analizowano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego SEM z przystawką do analizy składu chemicznego EDX. Jednorodność właściwości termoelektrycznych próbek została zbadana skaningową mikrosondą termoelektryczną (STM). Koncentrację nośników zmierzono metodą Halla. Dodatkowo zmierzono właściwości termoelektryczne próbek takie jak przewodnictwo elektryczne, współczynnik Seebecka oraz przewodnictwo cieplne w zakresie temperatur od 300-650 K. Otrzymane próbki Mg2Si charakteryzują się wysoką jednorodnością składu chemicznego i fazowego oraz właściwości termoelektrycznych.

EN

The object of this study was to obtain single-phase polycrystalline Mg2Si by a direct reaction between silicon and magnesium using the spark plasma sintering (SPS) technique. Both synthesis and densification of the material took place in graphite dies in an SPS apparatus. To determine the phase composition of the produced samples, X-ray diffraction investigations were performed. The microstructure and chemical composition of studied materials were analyzed using a scanning electron microscope (SEM) equipped with an EDX detector. Homogeneity of thermoelectric properties of the samples was investigated using a scanning thermoelectric microprobe (STM). The carrier concentration was measured by the Hall method. In addition, thermoelectric properties, i.e. electrical conductivity, Seebeck coefficient and thermal conductivity at the temperatures ranging from 300-650 K, were measured. The obtained samples of Mg2Si showed high homogeneity of both phase composition and thermoelectric properties.

5

Structural and thermoelectric properties of AgSbSe2-AgSbTe2 system

Schmidt M, Zybała R., Wojciechowski K. T.

Materiały Ceramiczne

|

2010

|

T. 62, nr 4

465-470

EN

Nine compounds with nominal composition AgSbSexTe2-x (x = 0.00, 0.25,...,2.00) were synthesized by the direct fusion technique. The thermal analysis and X-ray diffraction revealed that a partial substitution of Te by Se atoms leads to the stabilization of the cubic crystal structure of alloys. SEM observations of samples fracture showed changes from the Widmanstatten-type into glass-like microstructure for AgSbTe2 and AgSbSe2, respectively. The electrical conductivity, thermal conductivity and Seebeck coefficient were measured as a function of temperature in the range from 300 to 520 K. Electrical conductivity has semiconductor properties within the homogeneous region and semimetalic for the rest of samples. The thermal conductivity is very low as it is in the case of phonon glasses and increases only slightly with temperature. Samples in the homogeneous region have very high positive Seebeck coefficient of about 400-600 žV•K(-1) at RT which gives us the opportunity for optimal doping. The ZT parameter describing usefulness of thermoelectric materials, is about 0.65 for the undoped AgSbSe0.25Te1.75 sample at a temperature of 520 K.

PL

Wykorzystując technikę bezpośredniego topienia zsyntezowano dziewięć związków o nominalnych składach AgSbSexTe2-x (x = 0.00, 0.25,...,2.00). Analiza termiczna i dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego ujawniły częściowe podstawienie atomów Te przez atomy Se, prowadzące do stabilizacji regularnej struktury krystalograficznej stopów. Obserwacje SEM przełomów próbek pokazały zmianę ich mikrostruktury od typu Widmanstattena dla AgSbTe2 do mikrostruktury podobnej do materiału szklistego w przypadku AgSbSe2. Przewodność elektryczną, przewodność cieplną oraz współczynnik Seebecka zmierzono w funkcji temperatury w przedziale od 300 do 520 K. Przewodność elektryczna ma cechy półprzewodnikowe w obszarze jednorodnym i półmetaliczne w przypadku pozostałych próbek. Przewodność cieplna jest bardzo mała, jak w przypadku szkieł fononowych i zwiększa się tylko nieznacznie wraz z temperaturą. Próbki w obszarze jednorodnym mają bardzo duży dodatni współczynnik Seebecka o wartościach ok. 400-600 žV•K(-1) w temperaturze pokojowej, co daje możliwość optymalnego domieszkowania. Parametr ZT opisujący użyteczność materiałów termoelektrycznych ma wartość około 0.65 w przypadku niedomieszkowanej próbki AgSbSe(0,25)Te(1,75) sample at temperature of 520 K.

6

Otrzymywanie wybranych materiałów termoelektrycznych metodą krystalizacji kierunkowej i ich charakterystyka

Schmidt M, Zybała R., Wojciechowski K.T.

Materiały Ceramiczne

|

2010

|

T. 62, nr 1

56-59

PL

Celem pracy było otrzymanie monokryształów związków AgSbSe2, Ag0,9Sb1,1Se2 oraz BiSbTe3 metodą Bridgmana. Materiały otrzymywano dwoma wariantami metody różniącymi się wytwarzanym gradientem temperatur w obszarze frontu krystalizacji. Obserwacje mikrostrukturalne oraz składu chemicznego przeprowadzono skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM) z analizatorem dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS) oraz za pomocą emisyjnej spektroskopii atomowej (AES). Badania jednorodności właściwości termoelektrycznych przeprowadzono za pomocą mikrosondy Seebecka w temperaturze pokojowej. Stwierdzono, że współczynnik Seebecka dla materiału AgSbSe2 zmienia się monotonicznie w zakresie od 250 do 1000 μVK-1. Dla związku Ag0,9Sb1,1Se2 współczynnik Seebecka wynosi od -500 do -750 μVK-1. Monokryształy BiSbTe3 cechują się małymi zmianami wartości współczynnika Seebecka w przedziale od 200 do 280 μVK-1.

EN

The aim of this work was to prepare single crystals of AgSbSe2, Ag0,9Sb1,1Se2 and BiSbTe3 by the Bridgman method. Materials were prepared by means of two variants of this method, differing in temperature gradients in the area of the crystallization front. Microstructural and chemical analysis were done using Scanning Electron Microscope (SEM) with Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) and Atomic Emission Spectroscopy (AES). Analysis of homogeneity of thermoelectric properties was carried out using the Seebeck microprobe at room temperature. It was found that the Seebeck coefficient for AgSbSe2 changed monotonically in the range from 250 to 1000 μVK-1. For Ag0,9Sb1,1Se2, the Seebeck coefficient is in range from -500 to -750 μVK-1. Single crystals of BiSbTe3 exhibit small changes of the Seebeck coefficient in the range from 200 to 280 μVK-1.

7

Optimization of thermoelectric properties of CoSb3 by donor doping

Wojciechowski K. T.

Materiały Ceramiczne

|

2010

|

T. 62, nr 4

461-464

EN

Cobalt triantimonide CoSb3 is a narrow-band semiconductor with very promising chemical and transport properties which make it a potential candidate for high-temperature thermoelectric applications. The work presents the results of theoretical investigations concerning optimization of concentration of donor carrier n in order to receive maximum value of thermoelectric figure of merit ZT.

PL

Trójantymonek kobaltu CoSb3 jest półprzewodnikiem o wąskim paśmie wzbronionym i bardzo obiecujących właściwościach chemicznych i transportowych, które czynią go potencjalnym kandydatem w przypadku wysokotemperaturowych zastosowań termoelektrycznych. Praca przedstawia wyniki badań teoretycznych dotyczących optymalizacji stężenia nośnika donorowego n w celu otrzymania maksymalnej wartości współczynnika dobroci termoelektrycznej ZT.

8

Junctions and diffusion barriers for high temperature thermoelectric modules

Zybała R., Wojciechowski K. T., Schmidt M, Mania R.

Materiały Ceramiczne

|

2010

|

T. 62, nr 4

481-485

EN

Thermoelectric modules based on doped bismuth telluride (Bi2Te3) are commonly used for the construction of thermoelectric generators (TEGs) and heat pumps. However, due to low operating temperature (< 200oC), TEGs based on this material reveal low efficiency. In order to obtain high effectiveness in energy conversion, one needs to design high temperature modules made of new thermoelectric materials. The goal of the present work has been to develop the method of preparation of ohmic junctions between semiconducting CoSb3 element and metallic Cu electrode, for temperatures up to 600oC. In order to protect thermoelectric material from interaction with a solder and the electrode material, the appropriate diffusion barriers were applied. The junctions were formed by the resistance soldering technique in the protective atmosphere of Ar + H2. Lead-free alloys based on Ag and Cu were used as the solder. Diffusion layers of Ni were prepared via the magnetron sputtering technique. The chemical and microstructural properties of the junction area were analyzed by scanning electron microscope (SEM) equipped with EDX analyzer. Resistivity measurements and current–voltage characteristics were used to determine the contact resistance and ohmic contact quality between the metal and the semiconductor. Other physico-thermal properties, such as thermal expansion, were also characterized.

PL

Moduły termoelektryczne oparte na tellurku bizmutu (Bi2Te3) używane są powszechnie przy konstruowaniu generatorów termoelektrycznych (TEGs) i pomp ciepła. Jednakże, z powodu niskiej temperatury pracy (< 200oC), generatory termoelektryczne wykorzystujące ten materiał wykazują małą sprawność. Aby uzyskać wyższą wydajność konwersji energii potrzebne jest opracowanie wysokotemperaturowych modułów wykonanych z nowych materiałów termoelektrycznych. Celem prezentowanej pracy było opracowanie metody wytwarzania omowego złącza pomiędzy półprzewodzącym elementem CoSb3 i elektrodą metalową Cu przeznaczonego do pracy w temperaturach aż do 600oC. Odpowiednia bariera dyfuzyjna została zastosowana, aby chronić materiał termoelektryczny przed wzajemnym oddziaływaniem z lutem i materiałem elektrody. Złącza wykonano za pomocą techniki lutowania oporowego w ochronnej atmosferze Ar + H2. Jako lut wykorzystano stopy bezołowiowe oparte na Ag i Cu. Warstwy dyfuzyjne Ni naniesiono techniką rozpylania magnetronowego. Właściwości chemiczne i mikrostrukturalne analizowano za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) wyposażonego w analizator EDX. Pomiary rezystywności i charakterystykę prądowo-napięciową wykorzystano, aby określić oporność kontaktową i omową jakość kontaktu pomiędzy metalem i półprzewodnikiem. Scharakteryzowano także inne właściwości fizyko-chemiczne, takie jak rozszerzalność cieplna.

9

DLC layers prepared by the PVD magnetron sputtering technique

Wojciechowski K. T., Zybala R., Mania R., Morgiel J.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2009

|

Vol. 37, nr 2

726-729

EN

magnetron sputtering technique. Design/methodology/approach: DLC layers were fabricated by the reactive pulsed magnetron sputtering method in the mixture of Ar and methane (CH4). The gas pressure during sputtering process ranged from 0.3 to 0.7 Pa. The DLC layers were deposited on selected thermoelectric, ceramic and metallic substrates. Microstructure of obtained DLC layers were characterised by TEM and SEM microscopy. Raman spectroscopy was also used to characterise the different forms of carbon in the films. Findings: Structural investigations showed amorphous character of the produced layers and the lack of presence of nano-crystalline diamond phase both in layers obtained at 35 °C and in higher temperatures. Raman spectroscopy studies confirmed the dominant share of sp2 hybridization in the C - C and the presence of C – H bonds. Obtained layers are characterized by high electrical resistivity. Practical implications: Microstructure and high resistivity of DLC layers, prepared by magnetron technique, give prospective of their applications e.g. in microelectronics. Originality/value: Microstructure and high resistivity of DLC layers, prepared by magnetron technique, give perspectives for their applications e.g. in microelectronics.

10

Application of DLC layers in 3-omega thermal conductivity method

Wojciechowski K. T., Zybala R., Mania R.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2009

|

Vol. 37, nr 2

512-517

EN

Purpose: The 3-omega method is a unique measuring technique which can be applied for thermal conductivity measurements of bulk materials and layers. In order to measure thermal conductivity of semiconducting and metallic materials (e.g. thermoelectric materials) it is necessary to separate the sensor from the substrate by a dielectric layer. The layer should exhibit thermal conductivity .s comparable or greater than thermal conductivity of characterised materials, as well as good, electrically insulating properties. Design/methodology/approach: The DLC layers were prepared via the magnetron sputtering technique. The reactive sputtering process was carried out in the mixture of Ar and methane (CH4) work gases at the pressure ranging from 0.3 to 0.7 Pa. The layers were deposited on glass and selected thermoelectric materials. The temperature of substrate was controlled in range from 35 oC to 500 oC depending on type of the substrate material. The thickness of received DLC layers was in range from 0.2 to 2 žm. Findings: In order to estimate the accuracy of the modified 3-omega method thermal conductivity measurement results were compared to results of measurements without additional DLC layers and independent data obtained by the laser-flash method. Analysis of experimental results of test measurements show that application of 300 nm thick DLC insulating films allow for characterization of materials exhibiting . < 1.2Wm-1K-1 with the accuracy better than 9%. Research limitations/implications: Results of investigations indicate that prepared DLC layers satisfy requirements of 3-omega method and do not influence significantly on precision and accuracy of thermal conductivity measurements. Originality/value: We have developed the new method of preparation of diamond-like carbon (DLC) layers which satisfy requirements of the 3-omega technique. The layers can be applied for thermal properties measurements of selected thermoelectric materials.

11

Charakterystyka właściwości cieplnych warstw ochronnych metodą 3-omega

Zybała R., Wojciechowski K. T., Kucza W., Gajerski R., Godlewska E., Mania R.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2009

|

Vol. 50, nr 9

22-24

PL

Przedmiotem pracy są badania przewodnictwa cieplnego powłok ochronnych, dla stali wysokogatunkowej oraz materiałów termoelektrycznych, które pełnią jednocześnie funkcje barier termicznych TBC (Thermal Barrier Coatings). Badania przewodnictwa cieplnego powłok wykonano metodą 3-omega. Stwierdzono, że otrzymane powłoki charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami izolacyjnymi. Najniższe przewodnictwo cieplne (0,8 Wm ⁻ K ⁻) zmierzono dla powłok wykonanych na bazie przemysłowych farb wykonanych z żywic fenylometylo siloksanowych odpornych termicznie do 700*C.

EN

The paper deals with thermal conductivity of protective layers for highperformance steel and thermoelectric materials, which also have function of thermal barrier coatings TBC. Measurements of thermal conductivity were made by a 3-omega method. It has been found, that the investigated coatings exhibit very good insulating properties. The lowest thermal conductivity (0,8 Wm ⁻¹ K ⁻¹) was measured for the coatings based on commercial available paint, polysiloxane resin, thermally stable up to 700*C.

12

Zastosowanie metody 3-ω do pomiaru przewodnictwa cieplnego materiałów litych oraz warstw

Wojciechowski K. T., Mania R., Mars K., Zybała R.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2007

|

Vol. 48, nr 10

61-63

PL

Technologie mikroelektroniczne wymagają opracowania metod pomiaru przewodnictwa cieplnego materiałów otrzymywanych w postaci cienkich warstw nanoszonych na metaliczne lub ceramiczna podłoża. Metoda 3-omega pozwala na wykonanie dokładnych pomiarów przewodnictwa cieplnego materiałów litych oraz warstw w kierunku prostopadłym do podłoża. Opisano opracowaną metodę oraz układ pomiarowy. Metoda została sprawdzona na różnego typu materiałach monokrystalicznych, polikrystalicznych oraz warstwach w zakresie przewodnictwa cieplnego 0,2...140 Wm-1K-1.

EN

Technology in microelectronics requires the development of methods of measuring thermal conductivities of materials in the form of films deposited on the substrate. The 3-omega provides accurate measurements of values of thermal conductivity of bulk materials and films in normal-to-plane direction. The paper describes developed method and experimental setup. The method was successfully verified on various polycrystalline materials, single crystals and layers over the thermal conductivity range from 0.2 to 140 Wm-1 K-1.

13

Otrzymywanie i właściwości termoelektryczne CoSb3 typu p i n

Wojciechowski K. T., Leszczyński J.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2005

|

Vol. 46, nr 2-3

35-36

PL

Opisano otrzymywanie polikrystalicznych próbek CoSb₃ typu p i n domieszkowanego Sn i Te. Wykonano badania strukturalne, analizę składu oraz pomiary właściwości termoelektrycznych. Określono optymalne zawartości domieszek w celu uzyskania maksymalnej wartości współczynnika etektywności termoelektrycznej ZT.

EN

Polycrystalline p and n doped CoSb₃ materials with various contents of Sn and Te have been obtained. Structural, phase analysis and thermoelectric properties have been investigated. Optimal contents of impurities for maximum figure of merit ZT have been determined.