CC BY
0
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2021. Том 2
УДК 669.15-194: 537.322
О ПРИРОДЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В СТАЛИ ГАДФИЛЬДА
Р.М. Соболев1'*, Ю. М. Кузнецов2, Л. И. Квеглис1
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.
Лобачевского
Российская Федерация, 603022, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, д. 23 E-mail: *Sobolevrm@mail.ru
Обсуждается влияние пластической деформации на повышение термоэлектрических свойств стали Гадфильда. По аналогии со сталями других марок и сплавами цветных металлов рассматривается вклад искажений кристаллической структуры в изменение неравновесных электрофизических свойств. Учитывается возможность повышение средних значений термоэлектрических характеристик стали Гадфильда за счет подавления рассеяния на границах зерен.
Ключевые слова: термоэлектрический материал, сталь Гадфильда, пластическая деформация, термоэлектрические коэффициента, интегральный эффект.
ON THE NATURE OF THE THERMOELECTRIC EFFECT IN HADFIELD STEEL
R.M. Sobolev1, *, Yu.M. Kuznetsov2, L.I. Kveglis1
'Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2 National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod 32 Gagarin Avenue, Nizhny Novgorod, 603022, Russian Federation E-mail: *Sobolevrm@mail.ru
The influence of plastic deformation on the improvement of thermoelectric properties of Hadfield steel is discussed. By analogy with steels of other grades and alloys of non-ferrous metals, the contribution of distortions of the crystal structure to the change in nonequilibrium electrophysical properties is considered. The possibility of increasing the average values of thermoelectric characteristics of Hadfield steel due to the suppression of scattering at grain boundaries is taken into account.
Keywords: thermoelectric material, Hadfield steel, plastic deformation, thermoelectric coefficient, integral effect.
Сталь Гадфильда обладает термоэлектрическими свойствами, что позволяет рассматривать сплав 110Г13Л в качестве альтернативного материала термоэлектрическим полупроводникам [1]. Например, в космических аппаратах используются два типа приборов, преобразующих тепло в электроэнергию: статические и динамические. В основе статических термоэлектрогенераторов обычно лежит радиоактивный источник. В динамических термоэлектрогенераторах, активно внедряемых в спутниковых системах GPS, используют щелочные электрохимические ячейки.
Секция «Концепции современного естествознания»
Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик, но лишь немногие из них могут использоваться для преобразования тепловой энергии в электрическую.
Полупроводниковые материалы имеют следующие недостатки:
- Низкий КПД (до 18%);
- Сложная, дорогостоящая технология;
- Высокая стоимость (от 300 до 600 и выше $/кг);
- Токсичность;
- Ухудшение электрофизических характеристик под влиянием космического облучения.
Сталь Гадфильда не обладает указанными недостатками, за исключением недостаточно
высоких термоэлектрических характеристик. Выполненные ранее экспериментальные исследования показали, что пластическая деформация образцов стали Гадфильда, существенно повышает ее термоэлектрические свойства [2, 3]. В [4] обсуждаются причины изменения термоэлектрических характеристик сталей в результате деформационного воздействия - холодной обработки на прокатном стане. Авторы обнаружили корреляцию между пластической деформацией и относительным коэффициентом Зеебека в диапазоне температур 200 °C до 300 °C. Эта зависимость в [4] объясняется образованием и движением дислокаций при пластической деформации стали, в результате чего возникают новые центры рассеяния. При очень высоких степенях деформации в структуре возникают дополнительные поры, которые изменяют рассеяние, в первую очередь электронов.
Однако, авторы этой работы также указывают, что химический состав и механические свойства исследуемой стали имеют большое значение. Последнее позволяет рассматривать сталь Гадфильда, имеющую другой химический состав, как более перспективный термоэлектрический материал, чем исследованные в [4] объекты. Кроме того, в [5] повышение средних значений термоэлектрических характеристик элементарного Te после его деформации и формирования в образце направленной текстуры деформации объясняют эффектом подавления рассеяния потока носителей заряда на границах зерен.
Выполненные в [1-3] исследования указывают на необходимость, при анализе влияния пластической деформации на термоэлектрические свойства стали Гадфильда учитывать как структурные факторы, так и эффекты макротекстурирования образца.
Библиографические ссылки
1. Kveglis L.I. Noskov F.M. Local electron structure and magnetization in ß-Fe86Mn13C // Superlattices and Microstructures. 2009. V. 46. P. 114-120.
2. Причина знакопеременного термоэлектрического эффекта в сплаве Fe86Mn13C / Л.И. Квеглис, Р.Б. Абылкалыкова, А.В. Джес и др. // Известия Российской Академии наук. Серия физическая. 2014. Т. 78. № 4. С. 504-507.
3. Термоэлектрические эффекты в стали Гадфильда / Р.М. Соболев, Т.В. Фадеев, ЮМ. Кузнецов и др. // Сб. Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы. Красноярск: 2019. С. 99-100.
4. Characterization of the Thermoelectric Behavior of Plastically Deformed Steels / P. Demmel, A. Pazureck, R. Golle at al. // Journal of Electronic Materials. 2013. V. 42. No. 7. P. 2371-2375.
5. Enhancing Average Thermoelectric Figure of Merit of Elemental Te by Suppressing the Grain Boundary Scattering / Y. Wu, F. Liu, Q. Zhang at al. // Journal of Materials Chemistry A. 2020. V. 8. P. 8455-8461.
© Соболев Р.М., Кузнецов Ю. М., Квеглис Л. И., 2021
