MD1680Z

MD1680Z - Process for recrystallization of bismuth-based microwire in glass insulation

Info

Publication number: MD1680Z
Application number: MDS20220050A
Authority: MD
Inventors: Леонид КОНОПКО; Альбина НИКОЛАЕВА; Георге ПАРА
Original assignee: ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ИНЖЕНЕРИИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ ИЭИН "D. Ghitu"
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-01-31
Also published as: MD1680Y

Abstract

Invenţia se referă la domeniul materialelor termoelectrice, şi anume la procedee de recristalizare a microfirelor din materiale anizotrope în izolaţie de sticlă.Procedeul de recristalizare a microfirului pe bază de bismut în izolaţie de sticlă constă în mişcarea microfirului printr-un condensator format din două plăci de cupru, care generează un câmp electric puternic, încălzirea microfirului cu un fascicul laser până la temperatura de topire a miezului cu formarea unei zone de topire înguste, care în direcţia de mişcare a microfirului în interiorul condensatorului este imediat recristalizată de un flux de aer, cu direcţia axei cristalografice С3 a microfirului în direcţia câmpului electric.The invention refers to the field of thermoelectric materials, namely to recrystallization processes of microwires from anisotropic materials in glass insulation. The process of recrystallization of microwires based on bismuth in glass insulation consists in the movement of the microwire through a capacitor consisting of two plates of copper, which generates a strong electric field, heating the microwire with a laser beam to the melting temperature of the core with the formation of a narrow melting zone, which in the direction of movement of the microwire inside the capacitor is immediately recrystallized by an air flow, with the direction of the C3 crystallographic axis of the microwire in the direction of the electric field.

Description

Invenţia se referă la domeniul materialelor termoelectrice, şi anume la procedee de recristalizare a microfirelor din materiale anizotrope în izolaţie de sticlă. The invention refers to the field of thermoelectric materials, namely to processes of recrystallization of microwires from anisotropic materials in glass insulation.

Este cunoscut un procedeu de creştere a cristalelor dintr-o topitură, folosind agent de cristalizare [1]. În acest procedeu este necesar să se asigure contactul iniţial al agentului de cristalizare, adică un cristal orientat special, cu topitura sau zona de topire a cristalului recristalizat. A process for growing crystals from a melt, using a crystallization agent, is known [1]. In this process, it is necessary to ensure the initial contact of the crystallization agent, i.e. a specially oriented crystal, with the melt or the melting zone of the recrystallized crystal.

Dezavantajul acestui procedeu constă în necesitatea de a asigura contactul initial al agentului de cristalizare, adică un cristal special orientat, cu zona de topire a cristalului recristalizat. The disadvantage of this process consists in the need to ensure the initial contact of the crystallization agent, i.e. a specially oriented crystal, with the melting zone of the recrystallized crystal.

Cel mai apropiat de soluţia propusă este procedeul de recristalizare a microfirului pe bază de bismut în izolaţie de sticlă, în care microfirul de bismut în mişcare este încălzit de un încălzitor rezistiv până la temperatura de topire a miezului cu formarea unei zone topite, care în direcţia mişcării microfirului se deplasează în interiorul unui condensator, format din două plăci de cupru, generând un câmp electric puternic, unde se cristalizează cu un cristalizator de apă, cu direcţia axei cristalografice C3 a microfirului în direcţia câmpului electric [2]. The closest to the proposed solution is the process of recrystallization of bismuth-based microwire in glass insulation, in which the moving bismuth microwire is heated by a resistive heater up to the melting temperature of the core with the formation of a molten zone, which in the direction of the movement of the microwire moves inside a capacitor, formed by two copper plates, generating a strong electric field, where it crystallizes with a water crystallizer, with the direction of the C3 crystallographic axis of the microwire in the direction of the electric field [2].

Dezavantajele acestui procedeu sunt prezenţa în procesul de recristalizare a unei zone lungi a topiturii microfirului, ~ 10 mm, precum şi utilizarea unui cristalizator de apă. Datorită faptului că densitatea topiturii de Bi şi aliajelor de Bi-Sb (ρm=10,05 g/cm3) este mai mare decât densitatea lor în stare solidă (ρs=9,78 g/cm3) (В.В. Алчагиров, А.Г. Мозговой, Т.М. Шампаров. Плотность расплавленного висмута при высоких температурах. Теплофизика высоких температур, 2004, 42, p. 487-490), regiunea topiturii în microfir se îngustează cu formarea unui spaţiu gol. Odată cu trecerea procesului de recristalizare, grosimea îngustarii se micşorează, ceea ce duce la o ruptură a miezului. Ca urmare, se poate de obţinut nu mai mult de 1 m de microfir recristalizat fără rupturi. De asemenea, prezenţa unui cristalizator de apă în interiorul condensatorului cu o tensiune înaltă (8*103 V/cm) poate duce la descărcări necontrolate între plăcile condensatorului. The disadvantages of this process are the presence in the recrystallization process of a long area of the microwire melt, ~ 10 mm, as well as the use of a water crystallizer. Due to the fact that the density of Bi melt and Bi-Sb alloys (ρm=10.05 g/cm3) is higher than their density in the solid state (ρs=9.78 g/cm3) (В.В. Алчагиров, А .Г. Мозговой, Т.М. Шампаров. Плотность расплавленного бисмута при выходы перементах. Теплофизика выходы перементах, 2004, 42, p. 487-490), the melting region in the microwire narrows with the formation of a void space. With the passage of the recrystallization process, the thickness of the narrowing decreases, which leads to a rupture of the core. As a result, no more than 1 m of recrystallized microfiber can be obtained without breaks. Also, the presence of a water crystallizer inside the capacitor with a high voltage (8*103 V/cm) can lead to uncontrolled discharges between the capacitor plates.

Scopul prezentei invenţii este de a elabora o nouă tehnologie de recristalizare a unui microfir în izolaţie de sticlă dintr-un material anizotrop (de exemplu, aliaje de Bi şi Bi-Sb), lipsită de dezavantajele de mai sus. The aim of the present invention is to develop a new technology for recrystallization of a microwire in glass insulation from an anisotropic material (for example, Bi and Bi-Sb alloys), devoid of the above disadvantages.

Problema tehnică rezolvată de invenţie este obţinerea unui microfir arbitrar subţire şi lung dintr-un material anizotrop, de exemplu Bi şi Bi-Sb, în izolaţie de sticlă cu orientarea dorită a axei C3 faţă de axa microfirului. The technical problem solved by the invention is to obtain an arbitrarily thin and long microwire from an anisotropic material, for example Bi and Bi-Sb, in glass insulation with the desired orientation of the C3 axis with respect to the axis of the microwire.

În procedeul propus, încălzitorul rezistiv, care topeşte miezul microfirului în izolaţie de sticlă şi este situat în afara condensatorului de înaltă tensiune, format din două plăci de cupru (care este motivul formării unei zone lungi de topire a miezului), este înlocuit cu un fascicul laser focalizat, care topeşte miezul microfirului în interiorul condensatorului, iar regiunea de topire la deplasarea microfirului este imediat cristalizată de un flux de aer. In the proposed process, the resistive heater, which melts the microwire core in glass insulation and is located outside the high-voltage capacitor, consisting of two copper plates (which is the reason for the formation of a long core melting zone), is replaced by a beam focused laser, which melts the core of the microwire inside the capacitor, and the melting region when the microwire moves is immediately crystallized by an air flow.

Procedeul de recristalizare a microfirului pe bază de bismut în izolaţie de sticlă constă în mişcarea microfirului printr-un condensator format din două plăci de cupru, care generează un câmp electric puternic, încălzirea microfirului cu un fascicul laser până la temperatura de topire a miezului cu formarea unei zone de topire înguste, care în direcţia de mişcare a microfirului în interiorul condensatorului este imediat recristalizată de un flux de aer, cu direcţia axei cristalografice С3 a microfirului în direcţia câmpului electric. The recrystallization process of bismuth-based microwire in glass insulation consists of moving the microwire through a capacitor consisting of two copper plates, which generates a strong electric field, heating the microwire with a laser beam to the melting temperature of the core with the formation a narrow melting zone, which in the direction of movement of the microwire inside the capacitor is immediately recrystallized by an air flow, with the direction of the crystallographic axis С3 of the microwire in the direction of the electric field.

Avantajele procedeului propus sunt: The advantages of the proposed procedure are:

- posibilitatea recristalizării unui microfir de Bi şi Bi-Sb arbitrar lung în izolaţia de sticlă; - the possibility of recrystallization of an arbitrarily long Bi and Bi-Sb microwire in the glass insulation;

- posibilitatea de recristalizare a microfirelor de Bi şi Bi-Sb arbitrar subţiri în izolaţia de sticlă; - the possibility of recrystallization of arbitrarily thin Bi and Bi-Sb microwires in the glass insulation;

- creşterea fiabilităţii funcţionării instalaţiei de recristalizare a microfirului atunci când cristalizatorul de apă este înlocuit cu unul de aer. - increasing the reliability of the microfiber recrystallization plant operation when the water crystallizer is replaced by an air one.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care reprezintă schema instalaţiei pentru recristalizarea microfirului de Bi şi Bi-Sb în izolaţie de sticlă pentru a obţine la ieşirea din instalaţie un microfir cu orientarea axei cristalografice principale C3 pe direcţia câmpului electric: 1- microfir din Bi şi Bi-Sb în izolaţie de sticlă; 2- condensator, format din două plăci de cupru situate la o distanţă de 1 cm una faţă de alta; 3 - fascicul laser focalizat; 4 - laser semiconductor, λ=450 nm, P=2 W; 5 - cristalizator (flux de aer). The invention is explained by the drawing in the figure, which represents the scheme of the installation for the recrystallization of the microwire of Bi and Bi-Sb in glass insulation to obtain at the exit of the installation a microwire with the orientation of the main crystallographic axis C3 in the direction of the electric field: 1- microwire of Bi and Bi-Sb in glass insulation; 2- capacitor, consisting of two copper plates located at a distance of 1 cm from each other; 3 - focused laser beam; 4 - semiconductor laser, λ=450 nm, P=2 W; 5 - crystallizer (air flow).

Exemplu de realizare a invenţiei Example of realization of the invention

Pentru obţinerea unui microfir 1 cu amplasarea axei cristalografice principale C3 în direcţia câmpului electric E, condensatorului 2, format din două plăci de cupru situate la o distanţă de 1 cm una faţă de alta, i se aplică o tensiune de 8 kV, în timp ce în condensator apare un câmp electric E = 8 kV/cm. Microfirul de bismut în izolaţie de sticlă 1 este tras prin dispozitiv cu o viteză de 0,4 m/min cu ajutorul a două discuri rotative acoperite cu cauciuc, în interiorul condensatorului, în zona de acţiune a unui câmp electric puternic, miezul microfirului 1 este topit de un fascicul focalizat 3 al unui laser 4 şi imediat când microfirul este deplasat, acesta se cristalizează cu un flux de aer 5, în timp ce axa cristalografică principală C3 în monocristalul solidificat este situată în direcţia câmpului electric. To obtain a microwire 1 with the location of the main crystallographic axis C3 in the direction of the electric field E, a voltage of 8 kV is applied to the capacitor 2, consisting of two copper plates located at a distance of 1 cm from each other, while an electric field E = 8 kV/cm appears in the capacitor. The glass-insulated bismuth microwire 1 is pulled through the device at a speed of 0.4 m/min with the help of two rubber-coated rotating discs, inside the capacitor, in the area of action of a strong electric field, the core of the microwire 1 is melted by a focused beam 3 of a laser 4 and immediately when the microwire is moved, it crystallizes with an air flow 5, while the main crystallographic axis C3 in the solidified single crystal is located in the direction of the electric field.

La utilizarea unui laser semiconductor (λ=450 nm, P=2 W) a fost posibilă obţinerea unui microfir recristalizat de Bi-0,05% Sn (D = 18 µm, d = 4 µm) cu lungimea de 9,9 m, din care a fost confecţionat un senzor de flux de căldură. Valabilitatea procedeului propus este garantată de sensibilitatea ridicată (10-2 V/W) a senzorului de flux de căldură obţinut. When using a semiconductor laser (λ=450 nm, P=2 W) it was possible to obtain a recrystallized microwire of Bi-0.05% Sn (D = 18 µm, d = 4 µm) with a length of 9.9 m, from which a heat flow sensor was made. The validity of the proposed process is guaranteed by the high sensitivity (10-2 V/W) of the obtained heat flow sensor.

1. Пфанн В. Зонная плавка. Мир, Москва, 1970, p. 246-251 1. Пфанн В. Zone swimsuit. Mir, Moscow, 1970, p. 246-251

2. MD 1409 Y 2019.12.31 2. MD 1409 Y 2019.12.31

Claims

Bismuth-based microwire recrystallization process in glass insulation, which consists of moving the microwire through a capacitor consisting of two copper plates, which generates a strong electric field, heating the microwire with a laser beam to the melting temperature of the core with the formation of a narrow melting zone, which in the direction of movement of the microwire inside the capacitor is immediately recrystallized by an air flow, with the direction of the crystallographic axis С3 of the microwire in the direction of the electric field.