Hochentropie-Legierungen für thermoelektrische Anwendungen

Einleitung

Hochentrope Legierungen (HEAs) haben sich in letzter Zeit aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften als vielversprechende Materialien für thermoelektrische Hochtemperaturanwendungen erwiesen. Hier sind einige Vorteile der Verwendung von HEAs für thermoelektrische Anwendungen. Wir hoffen, dass Sie die Eigenschaften und Anwendungen von hochentropischen Legierungen besser verstehen.

Was ist eine hochentrope Legierung?

Einehochentropische Legierung ist eine Art von Legierung, die mindestens 5 Elemente enthält, deren Anteile gleich oder annähernd gleich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen haben sie nicht ein einziges Basiselement, sondern bestehen aus mehreren Hauptelementen. Diese einzigartige Zusammensetzung führt zu einer ungeordneten Struktur, einer hohen Entropie und, was am wichtigsten ist, zu außergewöhnlichen Eigenschaften und Anwendungen.

HEAs zeichnen sich durch ihre einzigartigen und beeindruckenden Eigenschaften aus, die herkömmliche Legierungen nicht haben. Zu diesen Eigenschaften gehören hohe Festigkeit, große Duktilität, hohe elektrische Leitfähigkeit und hervorragende thermische Stabilität. Diese Legierungen verfügen auch über eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperatureigenschaften, die sie zu idealen Werkstoffen für raue Umgebungen machen.

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Abbildung 1. Beispiele für hochentrope Legierungen

Aufgrund dieser strukturellen und funktionellen Eigenschaften haben HEAs eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, darunter in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Biomedizin. Dieser Artikel befasst sich mit hochentropen Legierungen, die insbesondere für thermoelektrische Anwendungen eingesetzt werden.

Was sind thermoelektrische Materialien?

Die Popularität der thermoelektrischen (TE) Technologie nimmt mit dem ständig steigenden Energiebedarf rapide zu. Zum einen wird eine große Menge an erneuerbarer Energie genutzt, um den steigenden Energiebedarf zu decken. Zum anderen ist die TE-Technologie eine attraktive Option, da sie die Energie der Abwärme nutzen kann. TE-Materialien zeichnen sich außerdem durch eine geringe Betriebsgröße aus und können für Festkörperkühlung, tragbare und tragbare Elektronik usw. verwendet werden.

Für die direkte Umwandlung von Abwärmeenergie in elektrische Energie in der TE-Technologie wird eine breite Palette fortschrittlicher Materialien verwendet. Übliche thermoelektrische Materialien sind Zintl, Heusler, SiGe, MgSi, Clathrate und CoSb3-Ba. Pb(Te, Se, S)-SeTe, SiGe und Skutterudite sind ebenfalls nützlich. [2] Verschiedene hochentropische Legierungen sind jedoch als neue, innovative TE-Materialien mit Hochtemperatureigenschaften aufgetaucht.

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Abbildung 2. Beispiele für TE-Materialien

Warum sind hochentrope Legierungen für thermoelektrische Anwendungen geeignet?

Hochentrope Legierungen eignen sich aufgrund der folgenden Eigenschaften sehr gut für TE-Anwendungen.

-Hohe thermische Stabilität

Erstens weisen sie aufgrund ihrer hohen Konfigurationsentropie, die zu einer zufälligen Verteilung der Atome führt, eine hohe thermische Stabilität auf. Diese ungeordnete Struktur verringert das Auftreten von Phasenumwandlungen, selbst bei hohen Temperaturen, was HEAs zu hervorragenden Materialien für thermoelektrische Anwendungen macht.

-Hohe Wärmeleitfähigkeit

Zweitens ist ihre metallische Beschaffenheit für ihre hohe Wärmeleitfähigkeit verantwortlich, die eine hohe Elektronenbeweglichkeit und einen geringen Widerstand gegen den Wärmefluss bewirkt. Dies macht HEAs zu ausgezeichneten TE-Materialien, da eine hohe Wärmeleitfähigkeit erwünscht ist, um die Wärmeübertragungseffizienz in TE-Anwendungen zu verbessern.

-Hohe elektrische Leitfähigkeit

Neben den thermischen Eigenschaften weisen HEAs auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, die eine effiziente Umwandlung von Wärme in Elektrizität ermöglicht. Daher sind HEAs eine ausgezeichnete Wahl für die thermoelektrische Stromerzeugung.

--Niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient

HEAs haben aufgrund ihrer zufälligen atomaren Anordnung einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von thermischen Spannungen oder Verformungen und macht HEAs zu hervorragenden Materialien für thermoelektrische Anwendungen.

-Verbesserte mechanische Eigenschaften

Darüber hinaus führt die ungeordnete Struktur zu den verbesserten mechanischen Eigenschaften von HEAs, wie z. B. hohe Festigkeit und Duktilität. Diese mechanischen Eigenschaften machen HEAs zu ausgezeichneten Materialien für thermoelektrische Hochtemperaturanwendungen, da Materialien mit hoher Festigkeit und Duktilität benötigt werden, um rauen Betriebsbedingungen standzuhalten.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass HEAs zahlreiche Vorteile für thermoelektrische Anwendungen bieten, darunter eine hohe thermische Stabilität, eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und verbesserte mechanische Eigenschaften. Diese einzigartigen Eigenschaften machen HEAs zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen TE-Materialien und könnten zur Entwicklung effizienterer und langlebigerer thermoelektrischer Geräte führen.

Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein zuverlässiger Lieferant von hochentropischen Legierungen. Es gibt viele hochwertige HEAs, die für thermoelektrische Anwendungen, 3D-Druck usw. verwendet werden. HEAs in verschiedenen Formen und Ausführungen sind ebenfalls erhältlich. Schicken Sie uns eine Anfrage, wenn Sie interessiert sind.

Referenz:

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, First-principles calculation of lattice distortions in four single phase high entropy alloys with experimental validation, Materials & Design, Volume 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Shafeie, Samrand & Guo, Sheng. (2020). Vorteile der Auswahl und Verwendung von Hochentropie-Legierungen für thermoelektrische Hochtemperaturanwendungen. 10.1201/9780367374426-16.

[3] Zeng, Minxiang & Zavanelli, Duncan & Chen, Jiahao & Saeidi-Javash, Mortaza & Du, Yipu & LeBlanc, Saniya & Snyder, G. & Zhang, Yanliang. (2021). Thermoelektrische Drucktinten für die nächste Generation von Energie- und Wärmegeräten. Chemical Society Reviews. 51. 10.1039/D1CS00490E.