Максимум добротности. Синтезирован рекордно эффективный материал.

“Мы активно сотрудничаем с представителями авиационной и космической индустрии, — отметила ректор НИТУ “МИСиС” Алевтина Черникова. — На данный момент ученые нашего университета ведут около 30 научно-исследовательских проектов по заказу авиакосмической отрасли, в том числе с Объединенной авиастроительной корпорацией, которая заинтересована во внедрении своих разработок университета для решения стратегических задач”.

Полученные в НИТУ “МИСиС” термоэлектрические материалы сочетают в себе два “вида” атомов: жестко закрепленные в узлах кристаллической решетки (что обеспечивает высокую электропроводность) и свободно колеблющиеся (что резко снижает теплопроводность, потому что слабо связанные с кристаллическим каркасом атомы эффективно рассеивают тепло). Такого сочетания удалось добиться за счет создания интерметаллидов (химическое соединение двух или более металлов), кристаллическая структура которых содержит пустоты. Заполняя их “гостевыми” атомами без нарушения кристаллической решетки, ученые получают необходимое сочетание свойств: чем выше электропроводность искомого вещества и ниже его теплопроводность, тем выше ключевой параметр термоэлектрических материалов — термоэлектрическая добротность.

Одним из самых перспективных в этом плане материалов стал скуттерудит — интерметаллид кобальта и сурьмы — CoSb3. Максимальная добротность возникает в нем при разнице температур поверхностей в 400-500 градусов. Для сравнения: у самого известного термоэлектрического материала — теллурида висмута — такой максимум наступает при разнице температур в 100-150 градусов и достигает значения ZT=1,2.

“Нам удалось решить проблему за счет использования индия в качестве заполнителя и подбора исходного соотношения металлов, которое позволило синтезировать нужный термоэлектрический состав в открытом реакторе, — рассказал член научной группы, сотрудник Центра энергоэффективности НИТУ “МИСиС” Андрей Воронин. — Благодаря такому подходу мы смогли провести синтез в открытом реакторе всего за две минуты с последующим отжигом получившегося образца в течение пяти часов. Сочетание используемого материала и особенностей процесса синтеза ускорило процесс создания в несколько десятков раз, что также сказалось и на его стоимости. При этом полученные значения термоэлектрической эффективности ZT=1,5 стали рекордными для скуттерудитов с одним видом “гостевых” атомов”.

По словам разработчиков, предложенные ранее схемы получения термоэлектрических материалов были слишком затратными не только из-за металлов, которые там предполагалось использовать, — они включали в себя двухнедельный синтез реакционной смеси в вакуумированных ампулах. Получить такой материал другими способами очень сложно из-за того, что сурьма — легколетучий металл.