Комп’ютерне моделювання методу вертикального зонного плавлення для виготовлення злитків термоелектричних матеріалів на основі телуриду вісмуту з квадратним поперечним перерізом
DOI:
https://doi.org/10.63527/1607-8829-2025-1-48-59Ключові слова:
моделювання, вертикальне зонне плавлення, термоелектричний матеріал, телурид вісмутуАнотація
Показано, що втрати термоелектричного матеріалу при розрізанні дисків з круглим перерізом на гілки для термоелементів є суттєвими – вага бракованих гілок може сягати 20–30%, залежно від розмірів гілок та дисків. Цього можна уникнути, виготовляючи термоелектричний матеріал у вигляді злитків з квадратним перерізом. Представлено результати комп’ютерного моделювання вертикального зонного плавлення для отримання злитків термоелектричних матеріалів на основі телуриду вісмуту з квадратним перерізом. Отримано залежність форми фронту кристалізації від геометричних розмірів нагрівача і охолоджувачів, їх температур, швидкості переміщення та інших технологічних параметрів. Ці залежності було проаналізовано для різних матеріалів, використаних для виготовлення контейнера, в якому вирощується матеріал ‒ кварцу, кераміки та графіту. Проведено багатофакторну комп’ютерну оптимізацію технологічних режимів процесу та конструкції обладнання. Бібл. 26, рис. 9.
Посилання
1. Rowe, D. M. (Ed.). (2012). Modules, systems, and applications in thermoelectrics (1st ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/b11892
2. d’Angelo M, Galassi C, Lecis N. Thermoelectric Materials and Applications: A Review. Energies. 2023; 16(17):6409. https://doi.org/10.3390/en16176409
3. Lon E. Bell. Cooling, Heating, Generating Power, and Recovering Waste Heat with Thermoelectric Systems. Science, 321, 1457-1461 (2008). DOI:10.1126/science.1158899
4. Riffat, S. B., & Ma, X. (2003). Thermoelectrics: A review of present and potential applications. Applied Thermal Engineering, 23 (8), 913-935. https://doi.org/10.1016/S1359-4311(03)00012-7
5. Jaziri, N., Boughamoura, A., Müller, J., Mezghani, B., Tounsi, F., & Ismail, M. (2020). A comprehensive review of thermoelectric generators: Technologies and common applications. Energy Reports, 6 (Suppl. 7), 264-287. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.12.011
6. Anatychuk, L.I., & Kuz, R.V. (2016). Thermoelectric generator for trucks. Journal of Thermoelectricity, 2016(3), 40–45
7. Huang, L., Zheng, Y., Xing, L., & Hou, B. (2023). Recent progress of thermoelectric applications for cooling/heating, power generation, heat flux sensor and potential prospect of their integrated applications. Thermal Science and Engineering Progress, 45, 102064. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2023.102064
8. Anatychuk, L., Lysko, V., & Prybyla, A. (2022). Rational areas of using thermoelectric heat recuperators. Journal of Thermoelectricity, (3-4), 43–67. https://doi.org/10.63527/1607-8829-2022-3-4-43-67
9. Kobylianskyi, R., Przystupa, K., Lysko, V., Majewski, J., Vikhor, L., Boichuk, V., Zadorozhnyy, O., Kochan, O., Umanets, M., & Pasyechnikova, N. (2025). Thermoelectric Measuring Equipment for Perioperative Monitoring of Temperature and Heat Flux Density of the Human Eye in Vitreoretinal Surgery. Sensors, 25(4), 999. https://doi.org/10.3390/s25040999
10. Anatychuk, L.I., & Kuz', R.V. (2015). Thermodynamic characteristic of cogeneration installations with thermoelectric heat recuperator. Materials Today: Proceedings, 2 (2), 871–876. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.05.113
11. Meticulous Research. Thermoelectric modules market. Retrieved February 10, 2025, from https://www.meticulousresearch.com/product/thermoelectric-modules-market-5494.
12. Tritt, T. (2000). Recent trends in thermoelectric materials research, part two (Semiconductors and Semimetals, Volume 70). Academic Press. ISBN-13: 978-0127521794
13. H.J. Goldsmid. Bismuth Telluride and Its Alloys as Materials for Thermoelectric Generation. Materials. 2014. 7. P. 2577-2592. https://doi.org/10.3390/ma7042577
14. T. Cao, X.L. Shi, M. Li, B. Hu, W. Chen, W.Di Liu, W. Lyu, J. MacLeod, Z.G. Chen Advances in bismuth-telluride-based thermoelectric devices: progress and challenges. EScience. 2023. Vol. 3. Issue 3. Article 100122. https://doi.org/0.1016/j.esci.2023.100122
15. d’Angelo M, Galassi C, Lecis N. Thermoelectric Materials and Applications: A Review. Energies. 2023; 16(17):6409. https://doi.org/10.3390/en16176409.
16. Zhai, RS., Zhu, TJ. Improved thermoelectric properties of zone-melted p-type bismuth-telluride-based alloys for power generation. Rare Metals, 41, 1490–1495 (2022). https://doi.org/10.1007/s12598-021-01901-2
17. Nitsovich, O. V. (2018). Research on the conditions of forming a flat crystallization front when growing Bi₂Te₃-based thermoelectric material by vertical zone melting method. Journal of Thermoelectricity, (3), 76–82.
18. Anatychuk, L. I., & Nitsovich, O. V. (2018). Simulation of the effect of thermal unit velocity on the process of growing Bi₂Te₃-based materials by vertical zone melting method. Journal of Thermoelectricity, (3), 76–82.
19. Nitsovich, O. V. (2018). Computer simulation of Bi₂Te₃ crystallization process in the presence of electrical current. Journal of Thermoelectricity, (5), 12–21.
20. Lysko, V., & Nitsovich, O. (2023). Computer simulation of the process of manufacturing flat ingots of thermoelectric materials based on Bі2Tе3 by vertical zone melting method. Journal of Thermoelectricity, (3), 19–26. https://doi.org/10.63527/1607-8829-2023-3-19-26
21. Lysko, V., & Nitsovich, O. (2023). Computer optimization of the vertical zone melting method for manufacturing flat ingots of thermoelectric materials based on Ві2Те3. Journal of Thermoelectricity, (4), 27–37. https://doi.org/10.63527/1607-8829-2023-4-27-37
22. Anatychuk, L.I., & Lysko, V.V. (2012). Modified Harman's method. AIP Conference Proceedings, 1449, 373–376. https://doi.org/10.1063/1.4731574
23. Anatychuk, L.I., Havryliuk, M.V., & Lysko, V.V. (2015). Absolute method for measuring thermoelectric properties of materials. Materials Today: Proceedings, 2(2), 737–743. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.05.110
24. COMSOL Multiphysics, v. 6.0. www.comsol.com. COMSOL AB, Stockholm, Sweden. 2021.
25. J. N. Reddy (2005). An Introduction to the Finite Element Method. 3rd Edition (McGraw-Hill Mechanical Engineering). 784 p.
26. Autorenkollektiv. (1983). Kristallisation aus Schmelzen: Eisenmetalle, Buntmetalle, Hochschmelzende Metalle, Halbleiterelemente, Edelmetalle, Radioaktive Elemente (K. Hein & E. Buhrig, Hrsg.). VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie.
