Ahoj! Ako dodávateľ obyčajného kremíkového prášku som v poslednej dobe dostával veľa otázok o tom, ako tieto veci ovplyvňujú termoelektrické vlastnosti materiálov. Tak som si povedal, že sa do tejto témy ponorím do hĺbky a podelím sa o to, čo som sa naučil.
Najprv si povedzme niečo o termoelektrických materiáloch. Ide o materiály, ktoré dokážu premieňať teplo na elektrinu alebo naopak. Sú mimoriadne dôležité v mnohých aplikáciách, ako je napríklad odpad - rekuperácia tepla v priemyselných procesoch, chladiče pre elektronické zariadenia a dokonca aj výroba energie vo vesmíre. Kľúčové vlastnosti, na ktoré sa pri termoelektrických materiáloch pozeráme, sú Seebeckov koeficient, elektrická vodivosť a tepelná vodivosť. Dobrý termoelektrický materiál by mal mať vysoký Seebeckov koeficient na generovanie veľkého napätia z teplotného rozdielu, vysokú elektrickú vodivosť na efektívne prenášanie elektrického prúdu a nízku tepelnú vodivosť na udržanie teplotného gradientu.
Kde teda prichádza na rad obyčajný silikónový prášok? Kremík je dobre známy polovodič a jeho prášková forma sa dá použiť rôznymi spôsobmi na úpravu termoelektrických vlastností iných materiálov.
Jedným z hlavných účinkov pridávania obyčajného kremíkového prášku do materiálu je jeho elektrická vodivosť. Kremík má sám o sebe určitú úroveň elektrickej vodivosti. Keď ho zmiešame s inými základnými materiálmi, môže pôsobiť ako vodivé plnivo. Napríklad, ak máme čo do činenia s termoelektrickým materiálom na báze polyméru, pridanie kremíkového prášku môže zvýšiť počet nosičov náboja v materiáli. Kremík má totiž vo svojom vonkajšom obale elektróny, ktoré sa môžu voľne pohybovať vplyvom elektrického poľa. Výsledkom je, že celková elektrická vodivosť kompozitného materiálu stúpa. Toto zvýšenie vodivosti je rozhodujúce pre zlepšenie výkonu termoelektrického zariadenia, pretože viac nosičov náboja znamená, že pri danom napätí môže pretekať väčší prúd.
Uvažujme o rôznych veľkostiach oka nášho bežného silikónového prášku. Ponúkame1000 mesh kremičitý prášok,300 mesh kremičitý prášok, a2000 mesh kremičitý prášok. Tu veľmi záleží na veľkosti ôk. Jemnejšie prášky, ako napríklad kremíkový prášok 2000 mesh, majú väčší povrch na jednotku objemu. To znamená, že sa môžu lepšie rozptýliť v základnom materiáli a vytvárať súvislejšie vodivé cesty. Výsledkom je, že sú účinnejšie pri zvyšovaní elektrickej vodivosti kompozitného materiálu v porovnaní s hrubšími práškami, ako je 300-mesh. S práškom 300 mesh sa však môže ľahšie manipulovať v niektorých výrobných procesoch.
Ďalší dôležitý vplyv je na Seebeckov koeficient. Seebeckov koeficient súvisí s tým, koľko napätia sa generuje pre daný teplotný rozdiel. Pridaním kremíkového prášku môžeme niekedy vyladiť Seebeckov koeficient materiálu. Kremík má svoj vlastný charakteristický Seebeckov koeficient a keď interaguje so základným materiálom, môže buď zvýšiť alebo znížiť celkový Seebeckov koeficient kompozitu. Závisí to od faktorov, ako je typ základného materiálu, množstvo pridaného kremíkového prášku a interakcia medzi kremíkom a základným materiálom na atómovej úrovni.
Napríklad v niektorých prípadoch môže pridanie kremíkového prášku viesť k zvýšeniu Seebeckovho koeficientu. Je to preto, že kremík môže do materiálu zaviesť nové úrovne energie, čo ovplyvňuje spôsob, akým nosiče náboja reagujú na teplotný gradient. Keď dôjde k teplotnému rozdielu v materiáli, tieto nové úrovne energie môžu spôsobiť, že sa nosiče náboja budú pohybovať spôsobom, ktorý generuje väčšie napätie. Na druhej strane, ak sa pridá príliš veľa kremíkového prášku, môže to narušiť existujúcu štruktúru energetického pásu základného materiálu, čo vedie k zníženiu Seebeckovho koeficientu.
Teraz hovorme o tepelnej vodivosti. V termoelektrických materiáloch zvyčajne chceme nízku tepelnú vodivosť na udržanie teplotného gradientu. Kremík má relatívne vysokú tepelnú vodivosť v porovnaní s niektorými termoelektrickými materiálmi. Keď do základného materiálu pridáme silikónový prášok, môže to zvýšiť tepelnú vodivosť kompozitu. Častice kremíka totiž môžu pôsobiť ako teplovodivé kanály. Na zmiernenie tohto efektu však môžeme použiť aj niektoré stratégie.
Jedným zo spôsobov je použitie štruktúry jadro – plášť. Častice kremíkového prášku môžeme potiahnuť materiálom s nízkou tepelnou vodivosťou. Týmto spôsobom môže kremík stále prispievať k elektrickej vodivosti, ale prenos tepla cez častice kremíka je znížený. Ďalším prístupom je riadenie disperzie kremíkového prášku v základnom materiáli. Ak sú častice kremíka dobre rozptýlené, ale nie sú vo vzájomnom priamom kontakte, prenos tepla cez kremíkovú sieť môže byť minimalizovaný.
Okrem týchto účinkov na základné termoelektrické vlastnosti môže obyčajný kremíkový prášok zlepšiť aj mechanické vlastnosti termoelektrického materiálu. Môže pôsobiť ako výstužné činidlo, vďaka čomu je materiál robustnejší a menej pravdepodobné, že praskne alebo sa zlomí pri mechanickom namáhaní. To je dôležité pre praktické aplikácie, pretože termoelektrické zariadenia musia byť schopné odolať určitej úrovni mechanických síl počas inštalácie a prevádzky.
Ak teda podnikáte v oblasti vývoja termoelektrických materiálov alebo zariadení, náš obyčajný silikónový prášok môže byť skvelým doplnkom k vašej súprave nástrojov. Či už potrebujete zvýšiť elektrickú vodivosť, vyladiť Seebeckov koeficient alebo zlepšiť mechanické vlastnosti vášho materiálu, máme pre vás ten správny produkt.
Ak máte záujem dozvedieť sa viac o tom, ako možno použiť náš obyčajný silikónový prášok vo vašej konkrétnej aplikácii, alebo ak chcete zadať objednávku, neváhajte nás kontaktovať. Sme tu, aby sme vám pomohli nájsť najlepšie riešenie pre vaše termoelektrické potreby.
Referencie
- Niektoré učebnice fyziky polovodičov a termoelektrických materiálov.
- Výskumné práce o použití kompozitov na báze kremíka v termoelektrických aplikáciách.
