مقدمة

وقد استرعت المواد الحرارية اهتماما كبيرا لقدرتها على تحويل الحرارة مباشرة إلى الكهرباء من خلال تأثير سيبيك، وعلى إجراء التبريد في دولة صلبة عن طريق تأثيرات البلايتر، وهذه المواد تشكل جزءا لا يتجزأ من استعادة حرارة النفايات، والثلاجات المحمولة، ومراقبة درجات الحرارة المحلية في الإلكترونيات، وعلى الرغم من وعدها، فإن الانتشار العملي يواجه عقبة مستمرة: تدهور الأداء في ظل التقلبات الحرارية المتكررة.

ما هو "السايكل" الحراري ولماذا يهم؟

وتشير التدوير الحراري إلى إخضاع مادة للتدفئة والتبريد المتكررين على مدى حرارة محدد، وفي أجهزة توليد الحرارة، تنشأ هذه الدورات من التشغيل المتقطع، أو تقلبات درجات الحرارة البيئية، أو تغيرات الحمولة، مثلاً، قد يجتاز مولد الطاقة الحرارية المُلحق بجهاز كهرباء صناعي مئات الدورات يومياً عندما تبدأ الآلات وتتوقف(ب) وتتميز درجة الحرارة المتسارعة (39)

وينجم الفشل أثناء التقلب الحراري عن الأثر التراكمي للإجهاد الحراري - عندما تكون المادة مسخنة، تهتز الذرات المكونة لها أكثر، مما يتسبب في التوسع؛ وتبريد العملية عكس مسارها، وتتوسع المراحل المختلفة، والحبوب، والطبقات في إطار نموذج حراري، وتعقد بمعدلات مختلفة، وتولد ضغوطا داخلية، وتفضي هذه الضغوط، على مدار دورات عديدة، إلى حدوث تغيرات في السم البلاستيك، والشروع في نهاية المطاف.

آليات عدم التمكن من استخدام المواد الحرارية

التوسع الحراري

- أكثر المذنبين شيوعاً هو التقلب الحراري بين ساقي حراري ووصلات معدنية أو بين أجزاء مختلفة في جهاز مجزأ، ويتكون نموذج كهربي حراري نموذجي من نوع Prma-C من ساقين شبه موصلة مثبتتين بين الكهروتين المعدنيتين.

وبالنسبة للمواد السائلة (مثلاً، CoSb3)، التي تعمل بين 500 و800 كاف، فإن خطأ مركز تكنولوجيا المناخ مع كهرباء المافيا أو النيكل يثير إشكالية خاصة، وتظهر محاكاة العناصر النيبية أن تركيزات الإجهاد عند أطراف الواجهة يمكن أن تتجاوز قوة غلة المباع أو التفاخر بعد بضع مئات من الدورات، مما يؤدي إلى فشل كارثوي.

تشكيلة وإرشادات دقيقة

ويبدأ الضغط الحراري المكرر في الرفوف الدقيقة عند الحدود أو المسامير أو الواجهات التي تركز فيها الإجهاد، وتنمو هذه الرفوف الدقيقة بكل دورة، بعد آلية شبيهة بالزمن، ويتوقف معدل النمو على عامل كثافة الضغط وعدد الدورات، الذي يحكمه قانون باريس للمواد الرطبة، وفي حالات الاختلال الميكانيكية التي تبلغ مساحتها ٥٠٠ في المائة، فإن الكسور الحرارية يكشف عن وجود حد أعلى من المقياس.

وجود عيوب موجودة من قبل - مثل الخزف من التقطع أو الإدخال من التوليفي - المضبوطات الملتقطة للشقوق، بل إن وجود خلل أولي صغير يمكن أن ينمو إلى حجم حرج، مما يتسبب في فقدان مفاجئ للاستمرارية الكهربائية، وفي حالات متطرفة، يحدث تجزؤ كامل للساق الحرارية، مما يجعل الوحدة غير صالحة للعمل.

عدم الاستقرار في المرحلة وعزلها

وتظهر عدة مواد كهربية تغيرات في مرحلة حرارة التشغيل، فعلى سبيل المثال، يمر الانتقال من مكعب (Fm3m) إلى هيكل خامبوهيدرالي يناهز 400 درجة مئوية، ولكن هذا الانتقال من المرتبة الثانية مع الحد الأدنى من تغير الحجم، ويثير المزيد من المشاكل المواد مثل الجرعة المميتة (المستخدمة في جميع المحاور التي تستخدم في TAGS)، التي يمكن أن تتحول إلى درجة حرارة أقل من درجة الحرارة إلى أقل من درجة الحرارة إلى أقل من حجما.

كما أن المواد المجهزة مثل سنسي تعاني من التوسع الحراري في الطائرات المزروعة، كما أن الطائرة التي تعمل بالتخطيط والخروج من الطائرة تختلف اختلافاً كبيراً عن عامل من ثلاث ضغوط داخلية تشجع على تطهير طبقة، ويمكن أن يؤدي التدوير المكرر إلى تطهير الطبقات، مما يشكل ثغرات تزيد من المقاومة الكهربائية، وبالمثل فإن بعض مراحل الزينتل التي ترتفع فيها الحرارة بصورة متكررة إلى 600 متر مربع.

الاختناق والتصويب

وكثيرا ما يعرض التدوير الحراري المواد الحرارية إلى الهواء أو الرطوبة عند درجات حرارة مرتفعة، وتتسارع حركية المحكّم مع كل دورة لأن الأسطح الطازجة التي تولدها معدلات النمو الشقيقة تصبح مواقع تفاعل جديدة، مثلا، تُعد المادة ثنائي النيتروز أكثر بساطة من 200 درجة مئوية، مما يشكل طبقة رقيقة من مقاومة الـ بي2 أو 3 و تيول.

والمواد التي تحتوي على اللفت أو المانعة شديدة الضعف، وأكسيدات التيوريوم متقلبة، مما قد يسبب فقداناً في الدراجات من خلال التفرع، مما يبعد النجمة عن التكوين الأمثل، كما أن التآكل في وجود الرطوبة يمكن أن يحدث أيضاً في درجات حرارة أقل، خاصة إذا كان الجهاز يستخدم في بيئات خارجية دون كبس.

الأثر على الممتلكات المادية وأداة الأجهزة

عنصر المقاومة الكهربائية ومعامل التنظيف

ويقلل التقلب الحراري من رقم الجدارة (ZT = S2ECTT/ / / / / حيث يكون معامل سيبيك، وهى سمية كهربائية، وعامل التقلب هو السلوك الحراري، وتزيد الارتدادات الدقيقة والعزلة المقاومة الكهربائية لأن الإلكترونية يجب أن تتفادى الثغرات في تركيبة الرؤوس.

وفي بعض المواد، يقلل الأكسدة من تركيز الناقل عن طريق تكوين عيوب للمقبل أو المانح، وعلى سبيل المثال، فإن تكوين شواغر تي في بي2 تي 3 بعد أن أدى إلى زيادة تركيز الحفر، مما أدى في البداية إلى زيادة السلوكية، ولكنه يهين في نهاية المطاف معامل سيبيك بسبب سلوك ثنائي القطب، والنتيجة الصافية هي انخفاض عامل الطاقة (S2، و 30 في المائة بعد عدة آلاف من دورات الهواء.

التغيرات في السلوك الحراري

ويمكن أن يؤدي التدوير الحراري إلى زيادة أو تخفيض السلوك الحراري تبعاً لآلية الضرر المهيمنة، كما أن المايكراكونات تعمل كمراكز للتشهير بالزائف، مما يقلل من سرعة السلوك الحراري (الملكية)، وهذا الأثر يعود بالفائدة على الزراعة نظراً إلى أن انخفاض مستوى الكفاءات، إلا أن الشقيق يسهم أيضاً في زيادة القدرة على مقاومة الطاقة الكهربائية، التي عادة ما تفوق الفائدة.

وبالنسبة للمستحضرات المملة، يمكن للجزء الممل أن يتغير بسبب هجرة الأيون أثناء التدوير الحراري، فذرات الفلّر (مثلاً، (با، لا، يب) تشغل فراغات في البطاطس الكريستالية وأجهزة القذف، وفي ظل الضغط المتكرر، قد تنتشر ذرات الملاولة من الفراغات، مما يقلل من الرشفوني ويزيد من التحلل بنسبة 10 إلى 15 في المائة.

النزاهة الميكانيكية ومقاومة الاتصال

وكثيرا ما يتجلى الفشل الميكانيكي في وحدات كهرباء الحرارة في زيادة مقاومة الاتصال، فعمليات العزل والطبقات المثبتة هي أضعف النقاط، وأثناء التدوير الحراري، تنمو المركبات المشتركة بين الفلزات في واجهة المبيعات، وتشكل مراحل رشوة مثل نيس 4 أو كو6 سن 5، وقد تختلف هذه المعادن عن المواد المتاخمة، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الكهربائية.

وأظهرت دراسة عن المولدات الكهربائية الحرارية التجارية أن مقاومة الاتصال زادت بنسبة 50 في المائة بعد 300 دورة تتراوح بين 30 درجة مئوية و300 درجة مئوية، وترتبط بتشكيل فراغات كيركندال في واجهة المبيعات، وأن الفراغات التي تتراكم بمرور الوقت تؤدي إلى انخفاض كبير في طاقة الإنتاج، وتبرز هذه النتائج الحاجة إلى هندسة قوية فيما بين الوجوه.

الاستراتيجيات الرامية إلى التخفيف من تدهور الأوضاع

الهندسة المادية: المركبات والهياكل النانوية

ومن بين النهجين اللذين يتبعان لتحسين مقاومة التدوير الحراري إدخال مرحلة ثانوية تستوعب أو توزع الإجهاد، مثلا، فإن إدراج نانووبات الكربون أو لوحات الغرافيين في بي2 تي3 يشكل مركبا ذا قدرة أكبر على كسرها، وتحافظ الجسور النانوية على الضغط، وتبطئ انتشارها، وتظهر التجارب أن البوليسترات الثنائية الفينيل الثلاث تبلغ قوتها الفلزية 8 في المائة من الكربون.

كما يساعد التكييف النانوي على تخفيض حجم الحبوب، مما يزيد من عدد حدود الحبوب، وفي حين أن حدود الحبوب يمكن أن تحطم الزواحف (الملائمة للشركة)، فإنها أيضا تعوق النمو في الشق لأن انتشار الشقوق عبر الحبوب الغرامية يتطلب طاقة أعلى، كما أن تقنيات التوليف المتقدمة مثل قطع البلازما الشراعية يمكن أن تنتج مواد ناوية كثيفة ذات عيوب ضئيلة، مما يقلل من خطر الفشل.

التصميم الأمثل: المرشدون المعاونون والمواضيع المشتركة

وللتخفيف من سوء المطابقة الحرارية، يستخدم المصممون المراوح بين المتغيرات الحرارية وبين الساق الحرارية والكهرباء، مثلا، طبقة من طراز مو - كو على ساق PbTe تقلل من الضغط بين الأجناس بنسبة 30 في المائة مقارنة بسند الشحن المباشر، وثمة تقنية أخرى تتمثل في تطبيق حاجز نمو بين الفلزات مثل درء التتانيوم (TiB2).

- أجهزة مقطعة - حيث توجد مواد مختلفة لبطاقة حرارة حرارية لتعظيم الأداء على تصميم وصلة وصلات بينية متأنية واسعة النطاق، وينبغي أن تلتحق القطاعات باستخدام طريقة ربط منخفضة الإجهاد مثل التفاخر الفلزي النشط أو الفضة، وتتمتع المفاصل الفضية المتقطعة بموازاة حرارية وكهربية ممتازة ويمكنها تحمل مئات الدورات الفضية بسبب خلل الفحل.

التكتلات الوقائية والتعبئة

وبالنسبة للمواد المعرضة للأكسدة، فإن الطلاءات العشبية ضرورية، إذ أن كبسولة السيليكون أو أكسيد الألومنيوم (Al2O3) قد تكون مجهزة بالبقع أو بتربة الطبقات الذريّة، قد تحول دون انتشار الأوكسجين، ويجب أن تكون هذه المعاطف سميكة بما يكفي لمقاومة تكوين الكولوزن ولكن رقيق بما يكفي لتجنب زيادة الملاء الحراري.

كما أن الكبسولة مع غطاء معدني مليء بالغاز الخام (مثل الأرغون) تزيد من عزل عناصر كهرباء الحرارة من البيئة، وهذا النهج شائع في وحدات ذات درجة حرارة عالية تستخدم في استعادة حرارة النفايات الآلية، كما يجب أن يستوعب التوسيع الحراري عن طريق البراعم المرنة أو الختم المهتز.

بروتوكولات التحكم في وضع الخرائط الحرارية

وفي بعض الأحيان، يكون التخفيف الأبسط هو التحكم في ظروف التشغيل، إذ إن الحد من درجة الحرارة (الرمز (DT) يقلل من قوة الضغط، فعلى سبيل المثال، قد ينجو وحدة مصممة لمقياس مقياس 200 درجة مئوية من 5000 دورة، ولكن إذا انخفضت درجة الحرارة إلى 150 درجة مئوية، فإن العمر يمكن أن يتجاوز 000 20 دورة، وبالمثل، فإن بطء معدلات القفز تعطي المادة وقتاً أطول لتخفيف الضغط عن طريق الإجهاد المفاجئ بدلاً من الكسر المفاجئ.

وباستخدام وصلات متوافقة، مثل شرائح النحاس المرنة أو طبقات المعادن السائلة، يتيح للساقان الكهربية التحرك بشكل مستقل، ويفصلهما عن الرابط الفرعي الصلب، وتبشر الفلزات السائلة القائمة على الغاليوم بشكل خاص لأنها تظل سائلة على مدى حرارة واسع (19 درجة مئوية إلى 1300 درجة مئوية) ويمكن أن تستوعب حالات التشرد الكبيرة دون توليد ضغط.

آخر التطورات والاتجاهات المستقبلية

تعليم الآلات من أجل النماذج الافتراضية

ويستخدم الباحثون الآن التعلم الآلي للتنبؤ بالفشل في إطار التدوير الحراري استنادا إلى تركيب المواد، والهياكل الدقيقة، ومعايير التدوير، ويمكن للنموذجات المدربة على البيانات التجريبية أن تحدد مزيج المواد العالية المخاطر قبل إجراء اختبارات مكلفة، وعلى سبيل المثال، استخدمت الشبكات العصبية لتعظيم تطابق تكنولوجيا المعلومات مع مواد معينة من مواد كهرباء الحرارية والاتصالات، مما يقلل من التجارب على التجارب على التجارب على التجارب على المستويين الابتدائي والطارئ بنسبة 50 في المائة.

كهرباء الحرارة الذاتية

وثمة سبيل مثير هو تطوير مواد كهربية حرارية ذاتية التلقيح، إضافة مرحلة منخفضة الصهر، مثل السترويح أو السبيكة المباعة، التي يمكن أن تؤدي إلى استعادة القدرة على الحركة الكهربائية بعد التدوير، حيث أن الدراسات الأولية عن ثنائي الفينيل متعدد البروم التي تحتوي على 5 فولتات من العجلات Sn-Pb eutectic أظهرت أنه بعد استعادة 70% من العجلات الكهربائية.

تصنيع البنى الصغيرة المصممة بالطرق

3D printing techniques, such as selective laser melting and binder jetting, enable the fabrication of thermoelectric elements with graded porosity or embedded stress-relieving channels, these structures can be designed to direct crack propagation away from critical current paths. Additive manufacturing also allows the integration of cooling channels directly into thermoelectric module, reducing thermal gradient and

خاتمة

ولا يزال التقلب الحراري يشكل قيدا أساسيا على نطاق واسع لاعتماد أجهزة كهرباء الحرارة، وينشأ الفشل عن تداخل معقد بين التقلبات الحرارية، ونمو الكوكتيل، وعدم الاستقرار في المرحلة، والهجوم البيئي، وتحلل هذه الآليات الممتلكات الكهربائية والحرارية، وتخفض في نهاية المطاف إنتاج الطاقة وعمرها، وتستخدم فيها مواد متقدمة مثل تصميمات التسارع الحراري، والتصميم المركب، وتضيفات الحمائية.