ПРЕОБРАЗУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
CONVERTING MATERIAL

[0001] Данная заявка относится к преобразующему материалу, способному преобразовывать тепловую энергию в электрическую энергию, способу его изготовления и использующим его устройствам.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Известны термоэлектрические генераторы и термоэлектрические преобразующие материалы. Такие материалы приобрели значение в качестве источника энергии в основном с целью утилизации тепловой энергии, которая в противном случае была бы неиспользованной и, следовательно, потерянной. Одной из особенностей таких материалов является то, что для выработки электроэнергии они используют разность температур.
[0003] Такие материалы уже известны и включают керамические композиты, а также интерметаллические соединения. Однако обычно такие материалы являются дорогими и не могут быть обработаны простым способом, что увеличивает затраты на изготовление. В основном по этой причине применение термоэлектрических генераторов (ТЭГ) все еще не получило широкого распространения.
Примеры таких материалов могут включать композит из полимерной матрицы и диспергированных частиц углерода, например, описанный в NANO LETTERS, 2008, Том 8, №.12, 4428-4432; APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 183110 (2011); US 2013/0312806 A1; US 2015/0380625 A1; и US 2014/0042373 A1. Графеновые порошки описаны в ЕР 2832689 А1.
Однако, учитывая то, что неиспользованная тепловая энергия доступна в большом количестве, и поскольку предпринимаются попытки использовать солнечное тепло, в данной области техники существует потребность в создании новых способов, позволяющих использовать тепловую энергию для выработки электроэнергии. В связи с этим основное внимание научных исследований было сосредоточено на броуновских двигателях - объектах, обычно существующих на наноуровне, способных выполнять работу под воздействием тепловой энергии. Такие броуновские двигатели обсуждаются, например, в научном отчете Lesovik и др., опубликованном на www.nature.com под DOI: 10.1038/srep32815 (H-theorem in quantum physics), а также в журнале Physical Review Letters, 104, 248001 (2010) Eshuis и др., Experimental Realization of Rotational Ratchet in Granular Gas. Кроме того, были достигнуты успехи в области материаловедения в отношении нано- и микроразмерных материалов, таких как углеродные нанотрубки или другие типы нанообъектов, таких как наностержни, а также графен, что еще больше расширило ряд доступных материалов для новых типов материалов. Предпочтительно материалы и композиции, подходящие для применения в таких преобразующих материалах, способных вырабатывать электрическую энергию, должны быть менее дорогими, чем обычные материалы, а также должны предусматривать простые способы обработки, облегчающие изготовление термоэлектрических устройств.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Задачей изобретения является создание преобразующего материала, преодолевающего проблемы, указанные выше, имеющего подходящие характеристики преобразования.
[0005] Автор настоящего изобретения провел тщательное исследование, и в результате было обнаружено, что неожиданно можно предложить новый тип преобразующего материала на основе обычных исходных материалов с низкой стоимостью. Поскольку преобразующий материал согласно настоящему изобретению, как дополнительно показано ниже, не требует разности температур, как обычные термоэлектрические преобразующие материалы, новые материалы согласно настоящему изобретению обозначены как игнеоэлектрические (англ. igneoelectric) преобразующие материалы, поскольку они способны преобразовать пространственно однородную тепловую энергию в напряжение (электрическую энергию). Чтобы правильно определить данный эффект и отделить его от аналогичных, но отличающихся понятий, таких как термоэлектрический эффект, термин игнеоэлектрический (игнеоэлектрический эффект, игнеоэлектрический материал, игнеоэлектрическое поведение и т.д.) используется в данном документе для описания и определения эффекта, раскрытого в данном документе, и материала, описанного и заявленного в связи с ним.
Новая концепция, реализованная настоящим изобретением, представляет собой композитный преобразующий материал, использующий проводящий материал (способный проводить электроны), который обеспечивает электрические соединения внутри преобразующего материала. Проводящий материал состоит из частиц, обычно микроразмерных или наноразмерных материалов (определенных ниже), с соотношением сторон более 1. Соответственно, частицы в одном направлении имеют размеры, которые больше размеров в другом направлении. Типичными примерами подходящих форм являются трубки, стержни, а также хлопья. Благодаря определенному способу получения, как дополнительно описано ниже, эти частицы образуют в преобразующем материале электрические перколяционные каналы, содержащие соединенные частицы, которые имеют преимущественную ориентацию, в результате чего получают структуры, которые напоминают линейные структуры с выступами (англ. barbed tendrils) (дополнительно проиллюстрированные ниже), в которых большинство выступов ориентированы в одном направлении. Такая конкретная структура, по-видимому, обеспечивает неожиданный эффект, заключающийся в том, что игнеоэлектрические материалы в том виде, как предложено настоящим изобретением, обеспечивают возможность выработки электричества из макроскопически однородной тепловой энергии.
[0006] В одном варианте осуществления предусмотрен игнеоэлектрический преобразующий материал, содержащий первую фазу, обеспечивающую матрицу, и вторую фазу, содержащую наноразмерный или микроразмерный материал, обеспечивающий подвижность электронов, как определено в пункте 1 формулы изобретения.
[0007] В другом варианте осуществления предусмотрен игнеоэлектрический преобразующий элемент, содержащий игнеоэлектрический преобразующий материал и два электрода.
[0008] Еще в одном варианте осуществления предусмотрен игнеоэлектрический преобразующий модуль, содержащий игнеоэлектрический преобразующий элемент.
[0009] Еще в одном варианте осуществления предусмотрен игнеоэлектрический генератор, содержащий игнеоэлектрический преобразующий модуль.
[0010] Материалы и устройства, коротко описанные выше, будут более подробно показаны ниже.
[0011] Еще в одном варианте осуществления предусмотрен способ изготовления игнеоэлектрического преобразующего материала. Способ включает обеспечение матричной фазы в неотвержденном состоянии (например, смеси мономера до отверждения или раствора полимера до затвердевания), добавление наноразмерного или микроразмерного материала, обеспечивающего подвижность электронов, и отверждение смеси при подаче электронов с одной стороны или полюса смеси. Одним подходящим примером такой подачи является приложение постоянного электрического тока.
[0012] Согласно вариантам осуществления изобретения можно обеспечить игнеоэлектрический преобразующий материал, который может быть легко получен, который предоставляет большое разнообразие способов применения и обеспечивает подходящие характеристики игнеоэлектрического преобразования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Вышеуказанные и другие задачи, преимущества и признаки настоящего изобретения станут более понятными из следующего описания некоторых предпочтительных вариантов осуществления в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
На фиг. 1 показано напряжение, создаваемое материалом согласно настоящему изобретению, как функция температуры.
На фиг. 2 показано омическое поведение материала согласно настоящему изобретению, где напряжение приложено извне, температура образца составляет 60°С, и смещение обеспечивается напряжением, создаваемым самим материалом.
На фиг. 3 показан схематический вид участка проводящей линейной структуры с выступами, присутствующей в материале.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Изобретение теперь будет описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления. Специалистам в данной области техники будет понятно, что многие альтернативные варианты осуществления могут быть реализованы с использованием идей настоящего изобретения, и что изобретение не ограничивается вариантами осуществления, проиллюстрированными в целях пояснения.
[0015] Одной частью игнеоэлектрического преобразующего материала по настоящему изобретению является первая фаза, то есть, фаза, обеспечивающая матрицу. Сама матрица предпочтительно является диэлектриком. Типичными примерами являются полимерные материалы, которые обычно применяют во многих областях промышленности, и которые могут обеспечить матрицу, содержащую диспергированную в ней вторую фазу, как указано выше и дополнительно объяснено ниже.
[0016] Подходящими примерами являются акриловые соединения, резиновые материалы, виниловые полимеры, а также олефиновые полимеры. Используемый в данном документе термин полимер включает как гомо-, так и сополимеры. Однако, в настоящем изобретении можно применять любой тип материала матрицы, хотя предпочтительными являются материалы, которые обеспечивают возможность получения игнеоэлектрического преобразующего материала при помощи способа изготовления, как описано в данном документе. Он включает обеспечение смеси, содержащей материал матрицы или его предшественник таким образом, чтобы обеспечить возможность смешивания со второй фазой, как определено в настоящем документе, обеспечивая при этом определенную подвижность второй фазы до отверждения матричной фазы с получением игнеоэлектрического преобразующего материала.
[0017] Соответственно, предпочтительными материалами для первой фазы являются полимеры, которые могут быть растворены в подходящем растворителе, а также смеси мономеров, которые отверждаются при инициировании механизма отверждения. Как указано выше, одним известным примером таких материалов являются акриловые соединения, такие как ПММА (полиметилметакрилат), которые могут быть обработаны в растворе, и которые отверждаются благодаря испарению растворителя. Другим подходящим примером является использование в качестве первой фазы смол, которые отверждаются за счет сшивки, а не из-за отсутствия растворителя. Однако, настоящее изобретение не ограничено указанным.
[0018] Вторая фаза, которая может быть использована согласно настоящему изобретению, представляет собой наноразмерный или микроразмерный материал. Используемый в данном документе термин «наноразмерный или микроразмерный материал» определяет материал, имеющий размеры менее 1 мм, обычно менее 500 мкм и более предпочтительно менее 250 мкм. Примерами этого являются размеры в диапазоне менее 100 мкм, например от 5 до 50 мкм. Как указано выше, также могут быть использованы наноразмерные материалы, то есть также можно применять материалы, имеющие размер менее 1 мкм. Однако по соображениям стоимости зачастую удобнее использовать микроразмерные материалы.
[0019] Материал, который может быть использован для второй фазы, представляет собой материал, имеющий соотношение размеров, превышающее 1, то есть частицы материала имеют длину (наибольший размер частицы по длине), которая больше, чем наименьший размер частицы. Типичными примерами этого являются волокна, а также хлопья, которые имеют длину, намного превышающую толщину соответствующей частицы. Предпочтительными вариантами осуществления являются частицы с соотношением размеров, намного превышающим 1, например, от 2 до 100. Использование частиц с таким соотношением размеров обеспечивает возможность образования линейных структур с выступами, как описано в данном документе.
[0020] В дополнение к волокнам и хлопьям, однако, также можно использовать дендритные материалы, такие как разветвленные полимеры, которые имеют боковые цепи, которые существенно более короткие, чем длина основной цепи (главной цепи) полимера. Аналогично могут быть использованы частицы, характеризующиеся определенной геометрией (и не обязательно определенными размером/соотношением размеров), например, асимметричным разветвлением или дентритными структурами, для образования линейных структур с выступами при самосборке, как это требуется. Однако по меньшей мере для целей изготовления, предпочтительным является использование конкретных материалов, таких как частицы в форме волокон и/или хлопьев.
[0021] Материал, используемый для второй фазы, должен обеспечивать подвижность электронов. Соответственно, типичными материалами для второй фазы являются проводящие или полупроводниковые материалы. Примеры таких материалов включают материалы, полученные на основе углерода, такие как графен или углеродные нанотрубки, а также металлы, включая золото, серебро, а также другие проводящие металлы, такие как медь или железо. Выбор материала часто зависит от доступности микро- или наноразмерных материалов, имеющих требуемую форму (то есть частиц с соотношением сторон более 1).
[0022] Как уже было указано выше, подходящий способ получения игнеоэлектрического преобразующего материала по настоящему изобретению включает следующие этапы:
обеспечение материала матрицы (или его предшественника);
смешивание материала для второй фазы с материалом матрицы (или его предшественником); и
отверждение смеси при приложении разности потенциалов носителей заряда, например, электронов, предпочтительно путем приложения постоянного электрического тока.
[0023] Как указано выше, сначала обеспечивают матричную фазу в форме, позволяющей обеспечить однородную смесь с материалом второй фазы, при обеспечении определенной подвижности материала второй фазы в смеси. Обычно это достигается путем обеспечения материала матрицы в виде жидкости, такой как, например, раствор материала матрицы или жидкий мономер. Жидкость может быть вязкой жидкостью, до тех пор пока материал для второй фазы способен немного перемещаться внутри смеси для обеспечения определенной ориентации во время отверждения, как описано выше, предпочтительно при приложении тока. Этот аспект настоящего изобретения будет описан ниже со ссылкой на использование постоянного тока. Однако понятно, что другие средства обеспечения разности потенциалов в том смысле, как определено в данном документе, также будут подходить для создания описанного эффекта, а именно, самосборки, как раскрыто в данном документе. Приложенный ток является постоянным (не переменным) электрическим током. В начале приложения электрического тока электрические соединения в смеси первой и второй фазы (в частности, между частицами второй фазы) могут существовать или не существовать. Соответственно, начальная фаза данного этапа способа может быть описана как подача электронов на одну сторону композиции. Было обнаружено, что благодаря форме второй фазы, как раскрыто в данном документе, подача электронов инициирует процесс самосборки, при котором частицы соединяются друг с другом, начиная с отрицательно заряженной стороны, что приводит к образованию электропроводящих каналов во всем объеме композиции в виде определенным образом ориентированных частиц второй фазы. Как указано выше, одна особенно подходящая матричная фаза представляет собой матрицу, изготовленную из акриловых соединений, таких как ПММА, которая может быть обеспечена в виде раствора в подходящем растворителе.
[0024] При использовании процесса данного типа материал для второй фазы будет подвергнут определенной степени ориентации во время отверждения в результате приложения тока. Поскольку материал для второй фазы допускает движение электронов, например, внутри проводника, такого как золото, или полупроводника, такого как графен, частицы для второй фазы с соотношением сторон более 1 будут подвергаться самосборке, описанной в предыдущем абзаце, создавая соединения (допускающие подвижность электронов) в направлении движения носителей заряда (электронов). Результатом является трехмерная сборка частиц, составляющих вторую фазу, с формированием так называемых линейных структур с выступами (так как частицы будут в основном контактировать друг с другом случайным образом вдоль одной оси частиц), создающих определенную форму соединения, обеспечивающего возможность движения электронов по всей матрице, т.е. вдоль соединенных частиц второй фазы. Благодаря этому способу изготовления выступы, как показано на рис. 3, ориентированы преимущественно в одном направлении, то есть в направлении приложенного тока, то есть противоположно движению электронов, которое определяется приложенным постоянным электрическим током.
[0025] Преимуществом получения материала по настоящему изобретению таким образом является то, что смесь первой и второй фазы можно получить с использованием обычных устройств для обработки полимера. Кроме того, смесь перед отверждением может наноситься с использованием широкого ряда общепринятых способов, таких как печать. Это обеспечивает возможность получения широкого спектра форм конечного игнеоэлектрического преобразующего материала простым способом. Например, можно печатать тонкие слои игнеоэлектрических преобразующих материалов, что позволяет создавать большие панели. В альтернативном варианте можно отливать смесь до отверждения для получения блоков из игнеоэлектрических преобразующих материалов большей толщины.
[0026] Неожиданно было обнаружено и подтверждено экспериментальными данными, что с помощью игнеоэлектрического преобразующего материала согласно настоящему изобретению можно вырабатывать электричество, используя один тепловой резервуар. Используя нано- или микроразмерные материалы для второй фазы и обеспечивая формирование проводящих каналов по всему материалу, как объяснено выше, обеспечивается постоянная непрерывная выработка электричества при условии, что преобразующий материал находится в окружающей среде с температурой выше определенного порогового значения, несмотря на то, что обеспечен только один тепловой резервуар.
В настоящее время основное объяснение игнеоэлектрического эффекта основано на том факте, что преобладание выступов, ориентированных в одном направлении, препятствует самопроизвольному термически опосредованному движению носителей заряда вдоль линейных структур с выступами в этом направлении, что приводит, посредством вычитания, к результирующему движению заряда в другом направлении. Этот эффект имеет место в масштабе длины, в котором электрические заряды движутся в баллистическом режиме (зависимом от траектории), а не в броуновском режиме (независимом от траектории), и для которого выступы представляют собой эквивалент тупиковых путей для самопроизвольного движения заряда.
Поскольку игнеоэлектрический эффект создается локально в масштабе длины баллистического движения для электрических зарядов, эффект будет создаваться только вокруг точек соединения частиц, составляющих вторую фазу (см. ниже схематическое представление соединений (точек соединения), и на расстоянии от указанных точек соединения, сопоставимых с масштабом длины баллистического движения для электрических зарядов в материале частиц. По этой причине, чем больше частиц, образующих вторую фазу, имеют характеристический масштаб длины, сравнимый, или меньший, чем масштаб длины баллистического движения для электрических зарядов в материале частиц, тем более макроскопически выраженным будет эффект. Например, в золоте баллистическое движение электрических зарядов происходит на нанометровых расстояниях; в графене - до микрометровых расстояний. Экспериментальные данные, полученные и описанные в примерах, показывают, что для обоих случаев (нанометровых, а также микрометровых расстояний) могут быть созданы функциональные системы, то есть системы, в которых вторая фаза состоит из наностержней золота и, отдельно, графеновых микрохлопьев.
[0027] Для обеспечения функционирования такого преобразующего материала, необходимо, чтобы диспергирование второй фазы в первой фазе было достаточным для предотвращения появления сегментов, содержащих объемные агломераты второй фазы. Обычно это может быть обеспечено просто тщательным перемешиванием двух фаз перед отверждением и регулированием содержания второй фазы. Минимальное количество частиц второй фазы представляет собой количество, которое обеспечивает вышеописанные перколяционные каналы (линейные структуры с выступами), обеспечивающие подвижность электронов. Это минимальное содержание зависит от типа используемого материала, а также от типа используемой системы (первой и второй фазы), но может быть легко установлено средним специалистом путем простого изготовления преобразующего материала и подтверждения способности вырабатывать электричество. Это содержание может составлять, например, от 0,01 мас. % до не более 70 мас. %. Однако этот диапазон не следует истолковывать как ограничивающий настоящее изобретение, поскольку могут использоваться другие содержания. Подходящие диапазоны могут составлять от 0,1 до 50 мас. %, и в примерах далее составляют от 1 до 25 мас. % или от 5 до 10 мас. %. При необходимости достаточное диспергирование второй фазы в матрице может быть обеспечено благодаря использованию частиц с модифицированной поверхностью, что обеспечивает лучшее диспергирование второй фазы в матрице, за счет использования менее вязких растворов материала матрицы или за счет использования поверхностно-активных веществ/диспергирующих агентов.
[0028] Анализ игнеоэлектрических преобразующих материалов согласно настоящему изобретению с использованием, например, SEM (сканирующего электронного микроскопа), показал, что полученная в результате самосборки структура второй фазы фактически обеспечивается в соответствии со способом, описанным в данном документе.
При низком содержании второй фазы в композите процесс самосборки обеспечивает преимущественно отдельные линейные структуры в направлении А->В (направление носителей заряда). В этом случае процесс самосборки приводит к появлению того, что может быть описано как линейные структуры с выступами, показанные на фиг. 3.
Как показано на фиг. 3, большинство выступов ориентировано в одном направлении, то есть в вышеописанном случае в направлении А. Такая структура, по-видимому, обеспечивает игнеоэлектрический эффект, обеспечиваемый настоящим изобретением. При более высоком содержании получаются структуры второй фазы, которые дополнительно характеризуются определенной взаимосвязью между различными линейными структурами, что не ухудшает функцию композита до тех пор, пока обеспечивается достаточное диспергирование второй фазы. В целом, функциональность системы сохраняется до тех пор, пока сохраняется достаточная степень анизотропии в углах между проводящими сегментами второй фазы. В этом смысле функциональные системы могут также состоять, частично или полностью, из линейных структур, расположенных достаточно близко, чтобы смежные линейные структуры соединялись через выдающиеся выступы, которые в этой конфигурации функционируют как перемычки между соседними линейными структурами, а не как тупики для движения заряда. В этом смысле вышеупомянутая анизотропия в углах может быть обеспечена, например, посредством изогнутых выступов/перемычек и/или расхождения/схождения линейных структур в общем направлении линейных структур. В обеих описанных дополнительных конфигурациях (изогнутые выступы/перемычки и/или расхождение/схождение линейных структур в общем направлении) функциональность выступов как тупиков для перемещения заряда будет заменена ненулевым вкладом в одном направлении в самопроизвольное баллистическое движение заряда в двух точках соединения между выступом и двумя соседними линейными структурами, благодаря тому, что выступы/перемычки образуют с линейными структурами различные углы.
Обе описанные дополнительные конфигурации (изогнутые выступы/перемычки и/или расхождение/схождение в общем направлении линейных структур) могут быть прослежены и получены в виде плотной упаковки ранее описанных линейных структур с выступами.
В конкретных случаях, таких как высокое содержание второй фазы, линейные структуры с выступами, созданные в процессе самосборки, описанном в [0024], могут быть подвергнуты ветвлению или разветвлениям, что может способствовать ориентации большинства выступов/углов в точках соединения в направлении, противоположном тому, которое описано в [0024] и далее. Это также может обеспечить функциональную систему, в которой электрическое напряжение, создаваемое конечной системой, противоположно тому, которое прикладывается во время изготовления. Эта перевернутая конфигурация также может быть результатом особых условий, таких как вызванная тепловой энергией локальная сшивка первой фазы на границе соединенных частиц, что может привести к тому, что уже соединенные частицы будут предоставлять только свою лицевую или более длинную сторону в качестве доступной точки контакта для вновь присоединяющихся частиц. Это приведет к изменению направления структуры на фиг. 3 на противоположное. Такие инвертированные системы, конечно, также являются функциональными.
Схематическое изображение на фиг. 3 также показывает, что материал второй фазы (фазы проводящего материала) должен присутствовать в форме объектов/частиц, обладающих отчетливым соотношением геометрических размеров (то есть соотношением размеров более 1), чтобы они демонстрировали ориентацию по отношению друг к другу и по отношению к макроскопической геометрии материала. Например, можно использовать металлы или графен, и объекты могут варьироваться от стержней до хлопьев, трубок и т.д. В предварительных экспериментах функциональные системы были получены с использованием золотых наностержней, а также в виде отдельных систем с использованием графеновых микрохлопьев.
[0029] Далее будет приведено описание игнеоэлектрического преобразующего элемента согласно данному варианту осуществления.
[0030] Игнеоэлектрический преобразующий элемент содержит игнеоэлектрический преобразующий материал и два электрода. Более подробно он будет описан ниже.
[0031] Игнеоэлектрический преобразующий элемент согласно данному варианту осуществления содержит игнеоэлектрический преобразующий материал. Кроме того, игнеоэлектрический преобразующий элемент дополнительно содержит множество электродов (по меньшей мере анод и катод), и, при необходимости, дополнительные элементы, например, покрытие для игнеоэлектрического преобразующего материала или элементы, позволяющие объединять множество игнеоэлектрических преобразующих элементов. Тепловая энергия может быть непосредственно преобразована в электрическую энергию с использованием игнеоэлектричесого преобразующего элемента.
[0032] В качестве электрода игнеоэлектрический преобразующий элемент содержит первый электрод, который имеет электрическое соединение с одним концом игнеоэлектрического преобразующего материала, второй электрод, который имеет соединение с другим концом игнеоэлектрического преобразующего материала.
[0033] Игнеоэлектрический преобразующий материал и каждый из электродов могут быть соединены посредством соединительного элемента и элемента, предотвращающего диффузию. Соединительный элемент и элемент, предотвращающий диффузию, могут быть обеспечены в виде слоев между игнеоэлектрическим преобразующим материалом и соответствующим электродом.
[0034] Хотя это никак конкретно не ограничено, предпочтительно, чтобы электрод состоял по меньшей мере из одного типа сплава, который выбран из группы, состоящей из сплава Fe, сплава Со, сплава Ni, сплава Cu, сплава Ti и сплава Al. Кроме того, электрод может представлять собой по меньшей мере один вид металла, который выбран из группы, состоящей, например, из железа, кобальта, никеля, меди, титана и алюминия. Кроме того, в качестве материала электрода более предпочтительно использовать сплав, имеющий тот же состав, что и слой сплава соединительного элемента. В соответствии с этим можно улучшить адгезионную способность между электродом и соединительным элементом.
[0035] С точки зрения уменьшения теплового напряжения, предпочтительно, чтобы соединительный элемент состоял по меньшей мере из одного вида сплава, который выбран из группы, состоящей из сплава Cu, сплава Ag, сплава Au и сплава Al.
[0036] С точки зрения предотвращения диффузии составляющих элементов игнеоэлектрического преобразующего материала, предпочтительно, чтобы был предусмотрен элемент, предотвращающий диффузию, и такой элемент может состоять по меньшей мере из одного вида сплава, выбранного из группы, состоящей из сплава Fe-M1 (М1 представляет собой по меньшей мере один вид элемента, выбранного из группы, состоящей из Cr, Mo, W, V, Nb, Та, Mn, Ti, Zr, Hf, С, Si и Ge), сплава Со-М1, сплава Ni-M1, сплава Ti-M2 (М2 представляет собой по меньшей мере один вид сплава, выбранный из группы, состоящей из Al, Ga, In, Cu, Ag, Au, Sn, Zn и Mg), сплава Zr-M2, сплава Hf-M2, сплава V-M2, сплава Nb-M2, сплава Та-М2, сплава Cr-М2, сплава Мо-М2 и сплава W-M2.
[0037] Кроме того, соединительный элемент и элемент, предотвращающий диффузию, могут быть образованы одним типом слоя сплава, соответственно, но могут быть образованы двумя или более типами слоев сплава, соответственно.
[0038] Соединительный элемент и элемент, предотвращающий диффузию, могут быть нанесены в виде слоев на игнеоэлектрический преобразующий материал таким способом, как пайка, распыление, осаждение из паровой фазы, термическое распыление и способ спекания в плазме искрового разряда.
[0039] Электрод может быть нанесен в виде слоя на соединительный элемент известным способом, таким как пайка, распыление, осаждение из паровой фазы, термическое распыление, способ спекания в плазме искрового разряда и микролазерная сварка.
[0040] Кроме того, в данном варианте осуществления было дано описание игнеоэлектрического преобразующего элемента, содержащего соединительный элемент и элемент, предотвращающий диффузию, но любой один или оба из соединительного элемента и элемента, предотвращающего диффузию, могут быть исключены.
[0041] Игнеоэлектрический преобразующий элемент может быть использован в игнеоэлектрическом преобразующем модуле, который может быть сконструирован в соответствии со стандартной процедурой, известной специалисту в данной области. Специалисту в данной области также известно, как изготовить игнеоэлектрические генератор и систему, использующие материал, описанный в данном документе.
Упомянутый в данном документе модуль обычно содержит один или более элементов, как описано выше, вместе со средствами, необходимыми для управления характеристиками элемента(ов), а также средством для предоставления информации о состоянии элемента(ов), например, выработанном электричестве и т.д., а также, в качестве опции, средством для подключения модуля к электрической сети или устройству, использующему вырабатываемую электроэнергию (например, к световым табло и т.д.) и/или средству накопления электроэнергии (аккумулятору). Генератор, как указано выше, содержит модуль, содержащий средство для подключения модуля к электрической сети или устройству, использующему выработанное электричество (например, к световым табло и т.д.) и средству накопления электроэнергии (аккумулятору).
Благодаря простой природе компонентов, необходимых для изготовления игнеоэлектрического преобразующего материала согласно настоящему изобретению, и благодаря возможности обрабатывать материал и придавать ему форму с использованием стандартных процедур, настоящее изобретение обеспечивает широкий спектр потенциальных применений.
Могут быть напечатаны большие панели материала, что позволяет вырабатывать энергию, например, для обеспечения света внутри отапливаемых помещений. Такие панели могут также подходить для выработки электричества для обеспечения света в южных районах, где другие источники электричества ограничены. Может быть возможен любой тип повторного использования тепла, даже в том случае, когда такие простые структуры, как панели, невозможны, так как игнеоэлектрическому преобразующему материалу согласно настоящему изобретению можно легко придать даже сложные формы, поскольку использование полимерных материалов матрицы обеспечивает возможность осуществления процессов формования после изготовления, например, термоформования и т.д. Поскольку материалы, используемые для первой и второй фазы игнеоэлектрического преобразующего материала по настоящему изобретению, доступны по разумной цене, для выработки электроэнергии в районах с доступной геотермальной энергией или в районах с высоким уровнем солнечного тепла можно использовать массивы панелей большего размера, а также объемные композиты.
[0042] Было приведено описание игнеоэлектрического преобразующего элемента и игнеоэлектрического преобразующего модуля, но они являются только иллюстративными и их структуры не ограничены вышеописанными структурами.
[0043] Далее будет описана работа и результат этого варианта осуществления.
[0044] Игнеоэлектрический преобразующий материал согласно данному варианту осуществления обладает превосходными характеристиками преобразования. Кроме того, можно реализовать игнеоэлектрический преобразующий элемент, игнеоэлектрический преобразующий модуль, игнеоэлектрический генератор и игнеоэлектрическую преобразующую систему, которые имеют превосходные характеристики преобразования, с использованием игнеоэлектрического преобразующего материала согласно данному варианту осуществления.
[0045] Кроме того, изобретение не ограничено вышеописанным вариантом осуществления, и в изобретение включены варианты, модификации и тому подобное в объеме, способном обеспечить достижение цели изобретения.
Пример
[0046] Далее изобретение будет подробно описано со ссылкой на пример. Кроме того, данное изобретение не ограничивается описанием примеров.
Получение игнеоэлектрического преобразующего материала
Пример 1
3
[0047] Графеновые хлопья, полученные путем обработки ультразвуком графита в N-метилпирролидоне (NMP), шириной около 10 мкм, смешивали с раствором ПММА в NMP. Образец объемом 2,5 см был изготовлен путем отливки смеси в стеклянную форму и отверждения при приложении тока. Полученный образец представлял собой проводящую омическую систему, демонстрирующую почти линейную зависимость между напряжением и температурой выше пороговой температуры более 20°С (см. фиг 1). Эти экспериментальные результаты показывают общее функционирование игнеоэлектрического преобразующего материала по настоящему изобретению в качестве единственного теплового резервуара. Подобные образцы были также приготовлены с использованием золотых наностержней в качестве материала для второй фазы.
Подачу электричества на образцы выполняли путем подключения полюсов А и В к источнику постоянного тока высокого напряжения FuG GmbH (http://www.fug-elektronik.de/en/products/high-voltage/hcp.html). В зависимости от образцов, подачу электричества проводили при начальном напряжении в диапазоне от 1 до 3 кВ с соответствующими токами в диапазоне от 0,1 до 1 мА.
Электроды были изготовлены путем напыления на форму слоя золота после нанесения на него маски, чтобы ограничить и задать области, на которые должно было быть нанесено золото. Это обеспечило присутствие слоя золота микроразмерной толщины в ограниченных областях формы, в частности в областях, которые должны были образовывать полюсы А и В, и которые оба выходили непрерывно из внутренней части формы (где раствор предшественника должен был позднее войти в контакт с ними) через край и на наружную часть формы. Алюминиевая фольга была приклеена к внешним поверхностям с золотым напылением, соответствующим полюсам А и В. Наконец, стандартные электрические кабели были подключены к алюминию с помощью зажимов типа «крокодил», и эта установка использовалась как для подачи электричества как часть конструкции, так и для измерения свойств готовых прототипов.
Наностержни из золота, использованные в образцах, могут быть получены с использованием опубликованных процедур, см., например, (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854505000287, или могут быть приобретены у различных компаний, таких как Sigma-Aldrich (http://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/materials-science/nanomaterials/gold-nanostructures.html).
Анализ и оценка полученных материалов показали, что композиты продемонстрировали вышеуказанный игнеоэлектрический эффект. На фиг. 1 показано, что материал согласно настоящему изобретению создает напряжение разомкнутой цепи (ОС), которое увеличивается с увеличением температуры, что подтверждает возможность выработки электроэнергии путем преобразования тепловой энергии с использованием единственного теплового резервуара. Омическое поведение материала отображено на фиг. 2 (данные, полученные с использованием источника-измерителя Keithley 2400 SourceMeter при 60°С), что вновь подтверждает эффект, уже отображенный на фиг. 1. Обе фигуры показывают результаты, полученные с использованием материалов с очень низкими содержаниями материалов второй фазы, полученных с использованием неоптимизированных способов. Было показано, что увеличение содержания второй фазы и оптимизация способа изготовления (дополнительные этапы обработки ультразвуком для улучшения смеси первой и второй фазы, а также регулировка тока, используемого во время отверждения) увеличивают эффективность преобразования.