Статья:

Исследование диффузионных процессов, проходящих в приконтактной области термоэлемента

Конференция: XXV Студенческая международная научно-практическая конференция «Технические и математические науки. Студенческий научный форум»

Секция: Физико-математические науки

Выходные данные
Гуфронова Д.Ш., Эргашева Г.Ш. Исследование диффузионных процессов, проходящих в приконтактной области термоэлемента // Технические и математические науки. Студенческий научный форум: электр. сб. ст. по мат. XXV междунар. студ. науч.-практ. конф. № 2(25). URL: https://nauchforum.ru/archive/SNF_tech/2(25).pdf (дата обращения: 30.11.2021)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Исследование диффузионных процессов, проходящих в приконтактной области термоэлемента

Гуфронова Дилафруз Шухратжан кизи
студент, Ферганский Государственный университет, Узбекистан, г. Фергана
Эргашева Гулноза Шокиржон кизи
студент, Ферганский Государственный университет, Узбекистан, г. Фергана
Азимов Туланбой Маруфжонович
научный руководитель, преподаватель, Ферганский Государственный университет, Узбекистан, г. Фергана

 

Аннотация. В статье исследуется взаимодействие поставщиков PbSb и BiSb с металлами охлаждающих термоэлементов P- и P-типа с полупроводниковыми материалами после изотермической промывки при различных температурах. В статье, исследованы приконтактные области охлаждающих термоэлементов на основе халькогенидов Bi и Sb коммутированны припоями BiSb и PbSb.

 

Ключевые слова: припой 1, диффузионный слой 2, концентраций 3.

 

Известно, что тепловые и электрические сопротивления в термопарах являются необходимыми параметрами термоэлементных устройств, которые серьезно влияют на конечные характеристики их мощности, КПД и т. д. Существуют различные подходы в теории термоэлектричества, которые могут надежно оценить это сопротивление. Достигается роль диффузионных явлений в контактном образовании термоэлементов с металлами и достигаются следующие результаты по взаимосвязи термоэлементов и металлов.

Отжиг образцов проводился в вакууме 10 мм. рт. ст. при температурах 100, 150, 180, 220°С в течение 150 часов. Методом оптической микроскопии определялось глубина диффузионных слоев на контактах. Коэффициенты диффузии при каждой температуре оценивались по формуле

где – х2 ширина диффузионного слоя, t - время отжига. Экспериментальные результаты определения средних толщин диффузионных фаз при разных температурах и вычисление значения коэффициента диффузии представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения диффузионной длины и коэффициента диффузии в зависимости от температуры

Наименование контакта

Температура отжига,0С

100

150

180

220

D

D

D

D

1

Cu+PbSb

4

0.15

21

4.1

32

9.48

67

41.6

2

p+PbSb

-

-

3

0.033

5.2

0.25

8.6

0.685

3

n+PbSb

-

-

-

-

2.4

0.053

4.1

0.156

4

Cu+BiSb

к.р

-

к.р

-

к.р

-

к.р

-

5

p+BiSb

14

1.8

21

4.1

36

12

89

73.3

6

n+BiSb

22

4.48

43

17

17

20.8

К.р

-

где - к.р. - контакт разрушен.

 

Взаимодействие меди с эвтектиками припоем PbSb протекает со скоростью сравнимой со скоростью взаимодействия припоя BiSb с полупроводниковыми материалами n и р - типов.

Контакт меди с Bi-Sb после отжига был разрушен как при температуре 1000С, так и 2200С, и поэтому не представлялось возможным определить толщину диффузионного слоя. По-видимому, скорость взаимодействия на контакте в процессе отжига довольно высокая и за время отжига образуется значительный диффузионный слой. При охлаждении, из-за значительной разности в коэффициентах термического расширения меди. Припоя и вновь образовавшейся фазы возникают значительные механические напряжения, приводящие к разрушению контакта. Причинами, определяющими снижение прочности и повышение сопротивления в контактах вследствие протекания взаимной диффузии, могут быть не только образование новых фаз с сильно отличающимися физико-механическими параметрами. Эффекты, возникающие при сильном различии скоростей встречных диффузионных по токов-эффекты Киркендалла и Френкеля. Конечным следствием последних является образование в прилегающей к контактным областям, обогащенных микродефектами и характеризующих с повышенным сопротивлением.

Для оценки и сравнения химической активности припоев PbSb и BiSb представляет определенный интерес вычисления таких параметров диффузии как энергии активации Q и пред экс потенциального множителя В0. Известно [1], что коэффициент диффузии описываете я основным уравнением диффузии

где Q - энергия активации процесса, D0 - пред экспоненциальный множитель. Необходимым условием корректности вычисления энергии активации из основного уравнения диффузии является независимость значений D0 и  от температуры в исследуемом интервале температур.

Для выявления границ независимости  Dот температуры на рис. 1 и рис. 2 представлены зависимости по данным полученным из графиков, представленных на рис. 3.Тб а, б. Значение глубины диффузии  для вычисления  взяты из графиков через каждые 100С. На рис. 1 и рис. 2 представлены зависимости от температуры.

Как видно из рис, 1 на контактах 2 и 3 в области исследуемых температур хорошо ложатся на прямую, что свидетельствует о наличии одного механизма диффузии. В данном случае, вероятно, происходит взаимная диффузия компонент припоя и материалов п-и р-типов друг в друга из-за наличия градиента концентраций на контакте. В взаимодействие припоя PbSb с медью происходит, судя по зависимости  от температуры, в два этапа. На первом этапе, вероятно, протекает диффузия меди в РbSb, а сурьмы в медь. На втором этапе при достижении определенной концентрации начинает образовываться новая Фаза. Возникновение новой Фазы з дальнейшее и приводит к замедлению процесса диффузии. Уменьшение диффузионного потока происходит из-за того, что диффундирующие атомы связываются с атомами основного вещества.

 

Рисунок. 1 зависимость  величины  на контактах от обратной температуры

Рисунок. 2 зависимость  величины  на контактах от обратной температуры

1) PbSb+ Cu 2) PbSb+ p 3) PbSb +n

1) BiSb +p 2) BiSb +n

 

В при контактной области образцов 1 и 2, как видно из рис. 2 процессы диффузии также протекают в два этапа, по той же схеме, что и на контактах 2 и 3. По данным рис. 1 и рис. 2 рассчитаны энергии активации Q и переде экс потенциальной множитель D0 , значения которых приведены в таблице 2

Таблица 2.

Энергии активации Q

Наименование контакта

Энергия активации Q, 

Предэкспотенциальный множитель D0, 

1

Cu+Pb-Sb

а) 142750

б) 57030

а) 1,02∙10-1

б) 4,7∙10-9

2

p+Pb-Sb

52500

2,6∙10-11

3

n+Pb-Sb

50780

3,8∙10-12

4

p+Bi-Sb

а) 23370

б) 83100

а) 3,5∙10-13

б) 4,8∙10-6

 

Значения Q и D0 диффузионных процессов, протекающих в экспериментальных образцах

Из полученных экспериментальных результатов следует, что температурная зависимость коэффициентов диффузии в контактах может быть выражена аналитически в следующем виде:

Из этих данных видно, чток как в контакте  так и в контакте  с припоем PbSb взаимная диффузия связана со значительной большей энергией активации, нежели диффузия в контакте припоем BiSb. Т.Е. припой на основе висмута обладает значительно большей химической активностью по отношению к термоэлектрическим материалам и к меди, чем припой на основе свинца. Следовательно, охлаждающие термоэлементы на основе халькогенидов висмута и сурьмы эксплуатируемые или проходящие термообработку при повышенный температурах, должны быть коммутированы припоями на основе свинца.

 

Список литературы:
1. Cherniak D. J., Lanford W.A. and Ryerson R. J. Distribution of lead in apatite and zircon using ion implantation and Rutherford retraction methods, Geochim. Cosmochim. Acta, 5.5, 1663-1673, 1992
2. К.Э Онаркулов, М.Б Набиев, Т.М.Азимов “Разработка эффективных коммутационных переходов с использованием металлизации контактируемых поверхностей ветвей термоэлементах”. \\ Республиканский научно-технической практической конференция Джизахский политехнический институт. Джизах-2018. С. 122-124.