Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Utlenianie materiału termoelektrycznego CoSb3 z warstwą Cr-5Si nanoszoną metodą PVD

Godlewska E., Zawadzka K., Marks K.

Ochrona przed Korozją

|

2011

|

nr 6

322-324

PL

Materiały na bazie trójantymonku kobaltu CoSb3, używane są jako elementy generatorów termoelektrycznych. Ze względu na niską stabilność termiczną i chemiczną ich temperatura pracy zwykle nie przekracza 450°C. W powietrzu ulegają reakcji z tlenem, przy czym tworzy się gruba wielowarstwowa zgorzelina, natomiast w warunkach beztlenowych wykazują tendencję do utraty antymonu przez sublimację. Niniejsza praca prezentuje wyniki badań nad właściwościami ochronnymi warstw Cr-5Si (% at.) osadzonych na materiale termoelektrycznym CoSb3 metodą impulsowego rozpylania magnetronowego. Spodziewanym efektem modyfikacji powierzchni było wytworzenie in-situ wielowarstwowej powłoki ceramiczno-metalicznej, która stanowiłaby barierę zarówno dla dyfuzji tlenu jak i antymonu. Przeprowadzono testy utleniania w powietrzu w temperaturze 500 i 600°C. Degradację materiału w czasie, spójność i przyczepność warstw oraz zasięg reakcji i dyfuzji oceniano na podstawie systematycznych analiz powierzchni, przełomów oraz przekrojów poprzecznych. Badano mikrostrukturę oraz zmiany składu chemicznego i fazowego. Stwierdzono, że warstwy Cr-5Si, o grubości 2-3 žm zapewniają skuteczną ochronę materiału CoSb3 przed utlenianiem w temperaturze 500°C.

EN

Materials based on cobalt triantimonide CoSb3 are used as elements of thermoelectric generators. Due to low chemical and thermal stability their working temperature usually does not exceed 450°C. When exposed to air, they readily react with oxygen producing a thick multilayer scale, while in oxygen-free atmospheres they undergo degradation as a result of antimony loss. This paper presents investigations on the protective properties of Cr-5Si (at%) layers deposited on the surface of thermoelectric material CoSb3 by a pulse magnetron sputtering technique. The expected outcome of this treatment was in-situ formation of a multilayer ceramic-metallic coating, which would play a role of a diffusion barrier for oxygen and antimony. Oxidation tests were performed in air at 500 and 600 °C. Degradation of the material in time, coating integrity and adherence as well as extent of reaction and diffusion were evaluated on the basis of systematic analyses of surfaces, fractures and cross-sections in terms of microstructure, phase composition and chemical composition. It has been stated that the Cr-5Si layers, thickness of 2-3 žm, provide good protection for the CoSb3 material against oxidation at 500°C.

2

Warstwy (Cr-Si)O nanoszone techniką magnetronową na CoSb₃

Zawadzka K., Godlewska E., Mars K.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2011

|

Vol. 52, nr 11

69-71

PL

Głównym problemem aplikacyjnym CoSb₃ - materiału podłożowego zastosowanego w niniejszej pracy - jest degradacja właściwości termoelektrycznych związana z sublimacją antymonu oraz małą odpornością na utlenianie w powietrzu w podwyższonych temperaturach [1-3]. Tym niepożądanym procesom można zapobiec przez naniesienie odpowiedniej powłoki ochronnej. Powłoka powinna stanowić barierę dla dyfuzji tlenu oraz antymonu oraz nie wchodzić w reakcję z materiałem podłoża. Dotychczas najlepiej poznane zostały systemy zabezpieczające materiały na osnowie CoSb₃ przed utratą antymonu. Badania dotyczyły głównie powłok metalicznych, np. niobowych [4], ceramicznych, np. MgAl₂ O₄ [5] oraz aerożelowych [6]. Autorzy niniejszej pracy podjęli próby wytworzenia warstw ograniczających nie tylko sublimację antymonu, ale również utlenianie antymonu i kobaltu. Obiecujące wyniki przyniosly eksperymenty nanoszenia grubych powłok amorficznych [7] a także stosunkowo cienkich warstw ceramiczno-metalicznych osadzanych techniką rozpylania magnetronowego [8], co dało podstawę do badań zmierzających do wytworzenia warstw typu (Cr-Si)O, które miałyby tę zaletę, że wykluczałyby występowanie przebić elektrycznych w warunkach pracy materiału termoelektrycznego. Warstwy (Cr-Si)O o różnej zawartości krzemu były osadzane na materiale termoelektrycznym CoSb₃ przy zastosowaniu techniki impulsowego rozpylania magnetronowego. Ich właściwości ochronne oceniano na podstawie testów utleniania w powietrzu. Badano mikrostrukturę oraz skład chemiczny i fazowy powierzchni oraz obszarów w pobliżu granicy rozdziału warstwa/podłoże przed i po testach.

EN

The basic application-related problem of CoSb₃ - the substrate material in this work - is instability of its composition (antimony sublimation and oxidation of both components) and properties at elevated temperature [1-3]. This deficiency can be overcome by means of a suitable protective coating. The coating should block the diffusion of antimony and oxygen and should be inert in contact with the substrate. The majority of protective systems developed for CoSb₃ - based materials were focused on prevention of antimony loss, e.g. Nb [4], ceramic coatings, e.g. MgAl₂ O₄ [5] and aerogel coatings [6]. The authors of this work have undertaken studies on the oxidation-resistant coatings for CoSb₃. Promising results obtained recently in the case of thick amorphous coatings [7] and the relatively thin ceramic - metallic coatings deposited by magnetron sputtering [8], encouraged further experiments with (Cr-Si)O layers, which would have an advantage of eliminating electrical shorting in service of thermoelectric devices. In this work, the (Cr-Si)O layers with two different concentrations of silicon (5 and 40 al.%) were deposited on the CoSb₃ substrates by magnetron sputtering. Their protective properties were evaluated based on oxidation tests in air at elevated temperature. The microstructure, chemical and phase composition of specimen surface and regions close to the coating/substrate interface were examined in the as-received condition and after the exposure.

3

Protective coating to suppress degradation of CoSb3 thermoelectric at elevated temperatures

Godlewska E., Zawadzka K., Gajerski R., Mitoraj M., Mars K.

Materiały Ceramiczne

|

2010

|

T. 62, nr 4

490-495

EN

A polymer-metal hybrid coating has been developed to prevent degradation of the CoSb3 skutterudite in contact with air at elevated temperature. Uncoated and coated CoSb3 specimens were exposed to air at 500, 600 and 700°C for up to 80 hours. The performance of materials was evaluated on the basis of mass changes, visual inspection, and systematic analysis of specimen surfaces, fractures and cross-sections in terms of the chemical and phase composition as well as microstructure. It has been found that the coating system used in this work was effective up to 600°C. It significantly reduced the access of gases, extent of oxidation and sublimation of antimony which limit the lifetime and efficiency of thermoelectric generators.

PL

Opracowano hybrydową powłokę polimerowo-metalową do ochrony przed degradacją w powietrzu w podwyższonej temperaturze skutterydu CoSb3. Pokryte powłoką i nie pokryte próbki CoSb3 wystawiono na działanie powietrza w temperaturach 500, 600 i 700°C przez okres trwający do 80 h. Osiągniętą jakość materiałów oceniono na podstawie zmian masy, sprawdzenia wzrokowego i systematycznej analizy powierzchni próbki, przełomów i przekrojów w kategoriach składu chemicznego i fazowego, a także mikrostruktury. Stwierdzono, że system powłoki wykorzystany w pracy był efektywny do 600°C. Redukuje on znacznie dostęp gazów, zasięg utlenienia i sublimacji antymonu, ograniczających czas pracy i wydajność generatorów termoelektrycznych.

4

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.

5

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.