سكاتروديت: مادة عالية الأداء للتطبيقات الكهروحرارية

أهمية المواد الكهروحرارية وإمكانيات تطبيقها

يعد تحسين كفاءة الطاقة أحد التحديات الرئيسية في القرن^{الحادي والعشرين}. ففي العديد من التطبيقات الصناعية، يتم توليد كميات هائلة من الطاقة الحرارية غير المستخدمة. يتم إنتاج هذه الحرارة المهدرة من أفران الصهر ومحطات الحرق ومحطات توليد الطاقة وحتى السيارات - ويمكن استخدامها جميعًا لتوليد الطاقة الكهربائية. وإلى جانب تأثيرها الإيجابي على البيئة، سيساهم ذلك أيضًا بشكل كبير في زيادة الكفاءة والربحية الإجمالية للمنشآت الصناعية. وهنا يأتي دور الكهرباء الحرارية.

يتم تطوير "المولدات الكهروحرارية"، كما هو معروف، ويمكن استخدامها في جميع المجالات التي تتوفر فيها اختلافات في درجات الحرارة القابلة للاستخدام. وتتطلب هذه التطبيقات تطوير مواد كهروحرارية ذات كفاءة عالية.

تحديد الخصائص الفيزيائية الحرارية والكهربائية الحرارية

من أجل تطوير وتحسين المواد الكهروحرارية الحرارية، من الضروري معرفة الخصائص الفيزيائية الحرارية والكهروحرارية. لتقييم الكفاءة، يُستخدم رقم الجدارة (قيمة ZT). ويصف هذا الرقم الكهروحراري الحراري مدى ملاءمة أو عدم ملاءمة مادة خاصة للاستخدام في مولد كهروحراري. وبالتالي فإن قيمة ZT تعطي معلومات عن كفاءة المادة.

باستخدام SBA 458 Nemesis^®، يمكن تحديد معامل سيبيك، S، والتوصيل الكهربائي، σ، في وقت واحد. وباستخدام جهاز LFA، يمكن قياس السعة الحرارية النوعية، _cp، والانتشار الحراري، a، مباشرةً. إلى جانب الكثافة، ρ، يمكن حساب الموصلية الحرارية، λ.

وبفضل جهاز SBA 458 Nemesis^® وأجهزة وميض الليزر LFA 427 و LFA 457 و LFA 467، تقدم NETZSCH حلاً كاملاً لتحديد قيمة ZT.

السكوتيروديت كمادة مناسبة للتطبيقات الكهروحرارية

وفي الوقت الراهن، غالبًا ما تحول التكاليف الباهظة للتطوير والكفاءة المنخفضة الحالية للمواد الكهروحرارية الحرارية دون تطبيقها. وللتغلب على ذلك، يجب زيادة كفاءة المواد الكهروحرارية الكهربائية الحرارية بشكل كبير من خلال التطورات والتعديلات الجديدة.

والهدف من ذلك هو تطوير مواد ذات موصلية حرارية منخفضة، λ، مع موصلية عالية في الوقت نفسه، σ، ومعامل سيبيك مرتفع، S. وتكمن الصعوبة هنا في حقيقة أن هذه الخصائص الثلاث لا يمكن أن تتأثر بشكل مستقل عن بعضها البعض إلا في ظل ظروف معينة.

يتمتع السكوتروديت على وجه الخصوص بخصائص كهربائية ممتازة. والسكوتيروديت مادة تتكون من الكوبالت والزرنيخ، وغالبًا ما تكون ملوثة بالأتربة النادرة. وهو ينتمي إلى فئة الكبريتيدات. ويعود اسمه إلى مدينة سكاترود في النرويج، حيث تم اكتشاف هذا المعدن الذي يتكون بشكل طبيعي وهو _CoAs3 لأول مرة في عام 1928. ولم يتم التعرف على خصائصه الكهربائية الممتازة إلا في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي. يتميز السكوتروديت بحركة حاملة شحنة عالية جدًا ومعامل سيبيك متوسط الحجم. ومن ناحية أخرى، فإن الموصلية الحرارية الخاصة به مرتفعة للغاية بحيث لم يكن من الممكن استخدامه بكفاءة في التطبيقات الكهربائية الحرارية في ذلك الوقت. في السبعينيات، تم اكتشاف البنية البلورية النموذجية للسكوتروديت، والتي يمكن تعديلها على النحو الأمثل. يمكن ملء فراغين في الخلية الأولية بإدخال ذرات غريبة. وبهذه الطريقة، يمكن تقليل الموصلية الحرارية للسكوتروديت. ومنذ ذلك الحين، أصبحت السكوتروديتات مرشحة محتملة لمحوّلات كهربائية حرارية أكثر كفاءة، حيث يمكن، على سبيل المثال، تحويل الحرارة المهدرة من أنظمة عوادم السيارات مباشرة إلى كهرباء. توضح أمثلة القياس التالية كيف يمكن تحديد قيمة ZT للسكوتروديت عن طريق عينة واحدة.

قياسات LFA

ولحساب قيمة ZT بدون أبعاد للسكوتيروديت، تم تحديد الانتشار الحراري (الشكل 1، المنحنى الأحمر) والسعة الحرارية النوعية (الشكل 1، المنحنى الأسود) باستخدام جهاز LFA 467 HyperFlash^® على عينة قطرها 12.7 مم. أجريت القياسات بين درجة حرارة الغرفة و400 درجة مئوية.

يعتمد حساب الموصلية الحرارية على النتائج التي تم الحصول عليها بواسطة المعادلة التالية: λ = _a-cp-ρ(انظر الشكل 2).

قياس SBA

وباستخدام جهاز SBA 458 Nemesis^®، تم تحديد معامل سيبيك والتوصيل الكهربائي للعينة المستخدمة بالفعل لقياس التردد المنخفض بين RT و 350 درجة مئوية. ارتفع معامل سيبيك من 100 ميكروفولت/ك إلى 160 ميكروفولت/ك تقريبًا بينما انخفضت الموصلية الكهربائية من حوالي 1300 S/سم إلى 1000 S/سم. أظهرت نتائج القياس قابلية استنساخ ممتازة (± 2%) لكلا المعلمتين (انظر الشكل 3).

يمثّل الرسم البياني في الشكل 5 الزيادة في قيمة ZT بين درجة حرارة الغرفة و400 درجة مئوية بحد أقصى 0.75.

الملخص

وقد ثبت أنه يمكن تحديد الخواص الفيزيائية الحرارية - بما في ذلك الانتشار الحراري والتوصيل الحراري والسعة الحرارية النوعية ومعامل سيبيك والتوصيل الكهربائي - باستخدام عينة واحدة فقط. وبالتالي، يوفر المستخدم وقتًا ثمينًا حيث لا يلزم تحضير عينة إضافية لتعديل هندسة العينة.