Н.Н. Матвеев, Н.С. Камалова, Н.Ю. Евсикова, В.В. Саушкин
Скачать
№ 2 (26)
Естественные науки и лес
В статье предлагается комплексная модель процесса возникновения разности потенциалов в тонком слое древесины с целью рассмотрения целесообразности использования природной древесины в качестве материала для преобразователей тепловой энергии в электрическую. В настоящее время в области естественных перепадов температур в качестве материалов для термопреобразователей энергии применяются полупроводниковые сплавы: CsBiSb, BiTe, PbTe, SiGe. Эти материалы обладают высокими значениями электропроводности и термо-ЭДС. Однако в последнее время все больший интерес вызывают структуры с нерегулярными включениями, обладающие низкой теплопроводностью. Поэтому широко исследуются термоэлектрические свойства систем с гетерограницами (сверхрешётки, системы с квантовыми ямами, проволочками и точками, композиты с нерегулярными включениями нанометрового размера, пористые полупроводниковые конструкции). Возможность использования в указанных целях природных композитов, таких как древесина, пока исследована недостаточно широко, хотя известно, что древесина обладает пироэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами, а также имеет низкую теплопроводность. В основе процесса формирования устойчивой разности потенциалов (термо-ЭДС) в возобновляемом природном биокомпозите – древесине лежат поляризационные явления: пьезоэлектрический эффект, обусловленный избыточным давлением на кристаллическую целлюлозу со стороны испытывающего тепловое расширение лигнина, и термически индуцированный пироэлектрический эффект в кристаллитах целлюлозы. В работе приведены экспериментально полученные зависимости разности потенциалов (термо-ЭДС) от величины перепада температуры и влажности древесины. Исследования позволяют сделать вывод, что абсолютное значение сформированной в древесине при естественном перепаде температуры термо-ЭДС, как и в традиционно используемых для термопреобразователей энергии материалах, прямо пропорционально величине перепада температуры. При этом оно значительно больше и возрастает с увеличением влажности. Таким образом, результаты исследований показывают целесообразность рассмотрения возможности использования древесины для создания новых материалов для термопреобразователей энергии.
термопреобразователи энергии, термо-ЭДС, разность потенциалов, перепад температуры, пироэлектрический эффект, пьезоэлектрический эффект, кристаллиты целлюлозы
1. Патрушева, Т. Н. Термоэлектрическая добротность в низкоразмерной полупроводниковой среде [Текст] / Т. Н. Патрушева, С. А. Подорожняк, Г. Н. Шелованова // Журнал СФУ. Техника и технологии. – 2013. – № 6. – С. 657-664.
2. Применение нанотехнологий для создания высокоэффективных термоэлектрических материалов [Текст] / В. Н. Абрютин, С. В. Нестеров, В. А. Романько, А. И. Холопкин // Наноиндустрия. – 2010. – № 1. – С. 24-26.
3. PbTe-based quantum-dot thermoelectric materials with high ZT [Теxt] / T. C. Harman [et al.] // IEEE Proceedings of 18th International Conference on Thermoelectrics, ed. Ehrlich, A., Piscataway, NJ. – 1999. – P. 280-284.
4. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. [Теxt] / R. Venkatasubramanian [et al.] // Nature. – 2001. – 413. – P. 597-602.
5. Shakouri, A. Design and characterization of thin film microcoolers [Теxt] / A. Shakouri, J. E. Bowers // Appl. Phys. Lett. – 1997. – 71. – P. 1234-1236.
6. Broido, D. A. Thermoelectric figure of merit of quantum wire superlattices [Теxt] / D. A. Broido, T. L. Reinecke // Appl. Phys. Lett. – 1995. – 67 (1). – P. 100-102.
7. Hicks, L. D. Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit. [Теxt] / L. D. Hicks, M. S. Dresselhaus // Phys. Rev. B. – 1993. – 47 (19). – P. 12727-12731.
8. Hicks, L. D. Thermoelectric figure of merit of a one dimensional Conductor [Теxt] / L. D. Hicks, M. S. Dresselhaus // Phys. Rev. B. – 1993. – 47 (24). – P. 16631-16634.
9. Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials. – [Теxt] / Akram I. Boukai [еt al.] // Nature. – 2008. – 451. – P. 168-171.
10. Theoretical estimation of characteristics of thermoelectric materials made of nanopowders [Теxt] / A. I. Holopkin, V. N. Abrutin, S. B. Nesterov, V. A. Romanko // Proceeding of The 5-th European Conference on Thermoelectrics (ECT 2007), Odessa, Ukraine, September 10-12, 2007. – P. 229-233.
11. Model of thermoelectric material composed of nanoparticles with quantum-point contacts [Теxt] / A. I. Holopkin, V. N. Abrutin, S. B. Nesterov, V. A. Romanko // Proceedings of 6th European Conference on Thermoelectrics, July 2-4, 2008, Paris, France. – P. P1-05-1.
12. Miller, Karl-Heinz. Thermoelectric properties of an array of molecular junctions [Теxt] / Karl-Heinz Miller // Proceedings of 6th European Conference on Thermoelectrics, July 2-4, 2008, Paris, France. – P. O-07-1 – O-07-1.
13. On the effective kinetic coefficients of thermoelectric nanocomposites [Теxt] / L. P. Bulat [et al.] // Proceedings of 6th European Conference on Thermoelectrics, July 2-4, 2008, Paris, France. – P. I-03-1 – I-03-6.
14. High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys [Теxt] / B. Poudel [et al.] // Science. – 2 May 2008. – Vol. 320. – P. 634-638.
15. Influence of structural inhomogeneities on the formation of the pyroelectric phase in polymers [Теxt] / N. N. Matveev, N. S. Kamalova, N. Y. Evsikova, O. Farberovich // Physics of the Solid State. – 2015. – Vol. 57. – № 6. – P. 1148-1150.
16. Thermopolarization effect in the cavity structures of heterogeneous systems [Теxt] / V. I. Lisitsyn [et al.] // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2013. – Vol. 77. – № 8. – P. 1071-1072.
17. Матвеев, Н. Н. Поляризационные эффекты в кристаллизующихся полимерах [Текст] / Н. Н. Матвеев, В. В. Постников, В. В. Саушкин. – Воронеж, 2000. – 170 с.
18. Физические величины [Текст] : справ. / под ред. И. С. Григорьева и Е. З. Михайлова. – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
19. Богомолов, Б. Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений [Текст] / Б. Д. Богомолов. – М. : Химия, 1973. – 400 с.