Laboratoř termoelektrických materiálů

Laboratoř termoelektrických materiálů je vybavena nástroji pro jak nízkoteplotní, tak vysokoteplotní fyzikální charakterizaci termoelektrických materiálů, tj. materiálů, ve kterých přítomnost teplotního gradientu generuje elektrické napěti a proud, tedy elektrický výkon. Výsledky těchto měření v kombinaci s analýzou strukturních vlastností materiálů poskytují cenné vodítko pro materiálový design vysoce efektivních termoelektrických materiálů.

Nízkoteplotní měření

Elektrická rezistivita, Seebeckův koeficient (termosíla) a tepelná vodivost jsou měřeny v teplotním rozsahu od 3.5 K do 310 K za použití měřící aparatury vlastní výroby. Pro dosažení těchto teplot je použit oběhový cyklický refrigerátor. Pomocí turbovývěvy lze dosáhnout tlaku menšího než 10^-4 Pa, což zabrání tepelné výměně mezi měřící komorou šasi přístroje.

Obr. 1.: Systém pro fyzikální charakterizaci za nízkých teplot.

Jak je vidět na obrázku, na měřený vzorek je připevněn ve speciální měřící cele a jsou na něj připevněny čtyři měděné nebo stříbrné kontakty. Pro snímání tepelných a napěťových poměrů na vzorku se užívá dobře známé čtyřbodové metody.

Rozložení elektrických kontaktů je provedeno následovně: diferenciální termočlánky typu E, které detekují teplotní gradient ΔT jsou zároveň užity i pro snímání úbytku napětí ΔV. Z tohoto důvodu je pro měření úbytku napětí na vzorku potřeba korigovat naměřené hodnoty o vlastní termoelektrickou sílu měřících termočlánků. Postranní měděné kontakty jsou použity k zajištění průchodu elektrického proudu vzorkem. Odporové topné tělísko zajišťuje je připevněno na vrchní stranu vzorku a generuje procházející tepelný tok, jeho teplota je monitorována, aby byly správně odhadnuty ztráty tepla díky radiaci. Tenký izolační papírek je vložen mezi topné tělísko a vzorek, aby nedocházelo ke zkratu mezi vzorkem a topením. Tepelný kontakt mezi vzorkem a měděnou základnou měřící cely je zesílen užitím teplovodivé pasty (Apiezon). Celou měřící komoru stíní protiradiační Ag štít. Tyto kruciální detaily slouží k přesnému výpočtu tepelné vodivosti, kde je přesné určení tepelného toku procházejícího vzorkem hraje hlavní roli.

Obr. 2.: Kryostat a vnějšek měřící cely (a), vzorek upevněný v měřící komoře (b) uspořádání experimentu (c).

Kalibrace

Věrohodná data jsou základem pro správné určení termoelektrických veličin popisujících zkoumané materiály. V tomto kontextu je výhodné použít supravodivých materiálů, které pod kritickou teplotou T_C mají termosílu rovnu nule. To umožní za nízkých teplot kalibrovat měřící aparaturu. Stejně tak lze s výhodou využít čistého niklu ve srovnání s daty uvedenými v literatuře. V termoelektrické komunitě je také dobrým zvykem relativně často provádět tzv. “Round robin testy”, které navzájem ukáží průměrné měření mezi účastnícími se laboratořemi a účastníkům také poskytnou informaci o přesnosti jejich aparatury.

Obr. 3.: Kalibrace za užití supravodiče (vlevo) a měření na standard niklu (vpravo).

Vysokoteplotní měření

Termoelektrická síla a elektrická resistivita jsou v naší laboratoři měřeny také ve vysokoteplotném rozsahu od 300 K do 1300 K. K dispozici je měření v normální atmosféře i inertním plynu. Princip měření a měřící cela jsou zobrazeny na Obr. 4. Základní oddělení měřící aparatury je vlastní topná komora, kde je teplota precizně kontrolována za použití multimetru Agilent, který zpracovává signál jak z termočlánků typu S, tak s napěťových kontaktů měřících úbytek napětí na termoelektrickém vzorku.

Obr. 4.: Měřící aparatura pro vysokoteplotní fyzikální charakterizaci termoelektrických vzorků.

I pro měření termoelektrických vlastností za vysokých teplot je použitou metodou ctyřbodové měření úbytku napětí na termočláncích. Opět, výsledek je korigován na vlastní termosílu kovů použitých při odečtu napětí. Důležitou roli při implementaci tohoto fyzikálního měření je nanesení kontaktních spojů, pro které se typicky používá AG pasta, která vylepšuje tepelný a elektrický kontakt mezi měřícími články a vzorkem.

Charakterizace termoelektrických modulů

Testovací aparatura určená pro existující komerční řešení či nově vznikající experimentální řešení termoelektrických modulů umožňuje určit reálné termoelektrické parametry užitím modelů tepelných toků. Získané výsledky mohou býti tedy konfrontovány s údaji uváděnými výrobcem, což je důležité zejména pro jejich praktickou implementaci do průmyslového procesu.

Komplexní měřící ovládání umožňují plynule nastavovat tepelné podmínky experimentu, kde teplota chladiče T_cold = 20-80 °C a teplota horké strany T_hot < 500 °C, což jsou hodnoty plně kompatibilní s reálným využitím v automobilovém průmyslu. Mechanické působení tlakem je simulováno také v rozsahu dané praktickou implementací této technologie (P = 0 – 20 MPa).

Obr. 5.: Schéma aparatury pro charakterizaci termoelektrických modulů.

Obr. 6.: Detail měřící cely pro termoelektrický modul (vlevo) a záběr na měřící aparaturu včetně nezbytného příslušenství (vpravo).

Analogicky k charakterizaci termoelektrických modulů je naše laboratoř vybavena aparaturou pro charakterizaci objemových termoelektrických vzorků. Je určen pro měření výsledkých vlastností větších “bulkových” keramik, které po výrobním procesu mohou býti zatíženy velkým množstvím jak krystalografických tak makroskopických chyb, např. Vakancemi, intersticiálními polohami, dislokacemi, trhlinami nebo kavitami. I když je systematický výzkum vlivu těchto chyb zcela na místě, mnohdy je z pragramtického hlediska určit pouze výstupní kvality jednotlivých výrobních procesů, obzvláště, pokud bereme v potaz časové tempo průmyslové implementace nových technologií.

Základním principem této metody je opět měření teplotního gradientu a vzniklého napětí jako funkce tepelného toku procházejícího skrze material. Výslednými veličinami jsou tepelná vodivost a Seebeckův koeficient. Důležitou vlastností této měřící aparatury je přesné monitorování odebraného toku tepla a ztrát na vzorku, jelikož tyto veličiny jsou za vysokých teplot hlavním zdrojem nepřesnosti měření.

Obr. 7.: Schéma aparatury pro charakterizaci termoelektrických objemových vzorků.