Electrical resistance, magnetic and thermoelectric properties of the Heusler alloy Co2TiAl obtained by self-propagating high-temperature synthesis

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A thermoelectric Co2TiAl alloy was obtained by the SHS-metallurgy method for the first time. The microstructure and the magnetic and thermoelectric properties of the synthesized alloy were investigated. The maximum value of the Seebeck coefficient and thermoelectric power at room temperature were ‒29.5 μV/K and 1230 μW·m–1·K–2, respectively. The comparison of the influence of the SHS-method modifications on the properties of the synthesized alloy was made. It has been shown that the alloy synthesized by SHS pressing has higher thermoelectric characteristics than the alloy obtained by the SHS-metallurgy method.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. L. Busurina

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: busurina@ism.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region, 142432

A. V. Karpov

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: busurina@ism.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region, 142432

D. E. Andreev

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: busurina@ism.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region, 142432

O. D. Boyarchenko

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: busurina@ism.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region, 142432

Yu. G. Morozov

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: busurina@ism.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region, 142432

D. M. Ikornikov

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: busurina@ism.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region, 142432

A. E. Sytschev

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: busurina@ism.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region, 142432

References

  1. Webster P.J. Heusler Alloys // Contemp. Phys. 1969. V. 10. P. 559–577.
  2. Марченков В.В., Ирхин В.Ю. Полуметаллические ферромагнетики, спиновые бесщелевые полупроводники и топологические полуметаллы на основе сплавов Гейслера: теория и эксперимент // ФММ. 2021. T. 122. № 12. С. 1221–1246.
  3. Васильев А.Н., Бучельников В.Д., Такаги Т., Ховайло В.В, Эстрин Э.И. Ферромагнетики с памятью формы // У.Ф.Н. 2003. Т. 173. № 6. C. 577–608.
  4. Ishida S., Otsuka Y., Kubo Y., Ishida J. Orbital angular momentum in Co2MnSn // J. Phys. F: Met. Phys. 1983. V. 13. P. 1173–1178.
  5. Zimm C., Jastrab A., Sternberg A., Pecharsky V., Gschneidner K. Jr., Osborne M., Anderson I. Description and performance of a near-room temperature magnetic refrigerator / In: Kittel P. (eds) Advances in Cryogenic Engineering. Advances in Cryogenic Engineering. V. 43. Springer, Boston, MA. P. 1759–1766.
  6. Graf T., Felser C., Parkin S.S.P. Simple rules for the understanding of Heusler compounds // Prog. Solid. State Chem. 2011. V. 39. P. 1.
  7. Suzuki R., Kyono T. Thermoelectric properties Fe2TiAl Heusler Alloys // J. Alloys Compounds. 2004. V. 377. P. 38–42.
  8. Hayashi K., Eguchi M., Miyazaki Y. Structural and thermoelectric properties of ternary full-Heusler alloys // J. Electron. Mater. 2017. V. 46. P. 2710–2716.
  9. Шредер Е.И., Филанович А.Н., Чернов Е.Д., Лукоянов А.В., Марченков В.В., Сташкова Л.А. Электронная структура, термоэлектрические и оптические свойства сплавов Гейслера Mn2MeAl (Me = Ti, V, Cr) // ФMM. 2023. T. 124. № 7. C. 608–615.
  10. Gui Z., Wang G., Wang H., Zhang Y., Li Y., Wen X., Li Y., Peng K., Zhou X., Ying J., Chen X. Large improvement of thermoelectric performance by magnetism in Co-based full-Heusler alloys // Adv. Sci. 2023. V. 10. P. 2303967.
  11. Zhang W., Zhao L., Qian Z., Sui Y., Liu Y., Su W., Zhang M., Liu Z., Liu G., Wu G. Magnetic properties of the Heusler alloy Co2TiAl synthesized by melt-spinning technique // J. Alloys Compounds. 2007. V. 431. P. 65–67.
  12. Koller M., Chráska T., Cinert J., Heczko O., Kopeček J., Landa M., Mušálek R., Rameš M., Seiner H., Stráský J., Janeček M. Mechanical and magnetic properties of semi-Heusler/light-metal composites consolidated by spark plasma sintering // Mater. Design. 2017. V. 126. P. 351–357.
  13. Итин В.И., Найбороденко Ю.С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. Томск: Изд-во Томcкого ун-та, 1989. 209 c.
  14. Yukhvid V.I. Modifications of SHS processes // Pure Appl. Chem. 1992. V. 64. Iss. 7. P. 977–988.
  15. Andreev D.E., Zakharov K.V., Yukhvid V.I., Schukin A.S., Golosova O.A. Centrifugal high-temperature synthesis of Cox-CrNbWMoAlC cast alloys // High Temp. Mater. Processes. 2023. V. 27. Iss. 3. P. 9–16.
  16. Hu T., Poudeu-Poudeu P., Yang D., Yan Y., Cao Y., Zhang T., Su X., Liu W., Tang X., Cao W. Ultra-fast fabrication of bulk ZrNiSn thermoelectric material through self-propagating high-temperature synthesis combined with in-situ quick pressing // Scripta Mater. 2019. V. 165. P. 140–146.
  17. Xing Y., Liu R., Sun Y.-Y., Chen F., Zhao K., Zhu T., Bai S., Chen L. Self-propagating high-temperature synthesis of half-Heusler thermoelectric materials: reaction mechanism and applicability // J. Mater. Chem. A. 2018. V. 6. P. 19470–19778.
  18. Xing Y., Liu R., Liao J., Zhang Q., Xia X., Wang C., Huang H., Chu J., Gu M., Zhu T., Zhu C., Xu F., Yao D., Zeng Y., Bai S., Uher C., Chen K. High-efficiency half-Heusler thermoelectric modules enabled by selfpropagating synthesis and topologic structure optimization // Energ. Environ Sci. 2019. V. 12. P. 3390–3399.
  19. Бусурина М.Л., Карпов А.В., Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Сачкова Н.В., Сычев А.Е. Электрофизические свойства сплава на основе 2Co-Ti-Al, полученного методом СВС-прессования // Перспект. матер. 2020. № 1. С. 5–12.
  20. Karpov A.V., Morozov Y.G., Bunin V.A., Borovinskaya I.P. Effect of Yttria additions on the electrical conductivity of SHS nitride ceramics // Inorg Mater. 2002. V. 38. P. 631–634.
  21. Карпов А.В., Сычев А.Е., Сивакова А.О. Устройство для измерения коэффициента Зеебека термоэлектрических материалов в диапазоне температур 300–800 К // Измер. Техн. 2023. № 8. C. 67–72.
  22. https://nexten.materialsproject.org/materials/mp5407?chemsys=Al-Ti-Co
  23. Буханько Н.Г., Казакова Е.Ф., Соколовская Е.М. Взаимодействие алюминия с кобальтом и титаном // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2002. Т. 43. № 1. С. 51–57.
  24. Коуров Н.И., Перевозчикова Ю.А., Weber H.W., Марченков В.В. Особенности электросопротивления полуметаллических ферромагнетиков Co2MeAl (Me = Ti, V, Cr, Mn, Fe) // ФТТ. 2016. Т. 58 (7). C. 1311–1316.
  25. Yakhmi J.V., Gopalakrishnan I.K., Grover A.K. Electrical resistivity studies on the Heusler alloys Co2T1–xAl1+x (T = Ti or Zr) // Phys. Status Solidi (A). 1984. V.85. P. 89–92.
  26. Zheng Y., Lu T., Polash M.H., Rasoulianboroujeni M., Liu N., Manley M.E., Deng Y., Sun P.J., Chen X.L, Hermann R.P., Vashaee D., Heremans J.P., Zhao H. Paramagnon drag in high thermoelectric figure of merit Li-doped MnTe // Sci Adv. 2019. V. 5. Iss. 9. P. 1–7.
  27. Witting I.T., Chasapis T.C., Ricci F., Peters M., Heinz N.A., Hautier G., Snyder G.J. The Thermoelectric Properties of Bismuth Telluride // Adv. Electron Mater. 2019. V. 5. Iss. 6. P. 1800904.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Experimental scheme: 1 – initiating coil; 2 – reaction mixture in a quartz glass; 3 – corundum filling; 4 – graphite mold.

Download (19KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffraction patterns of alloys synthesized from reaction mixture I (a) and mixture II (b).

Download (14KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. SEM and EDA data (at.%) of Co2TiAl alloy synthesized by SHS metallurgy.

Download (26KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Magnetization curves of powder samples: for mixtures I and II and the alloy synthesized in [19].

Download (24KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Temperature dependence curves of electrical resistance ρ of the samples synthesized in this work (a) and in [19] (b).

Download (14KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Temperature curves of the Seebeck coefficient for Co2TiAl alloys synthesized in this work (a) and in [19] (b).

Download (13KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Temperature dependences of the thermoelectric power factor (PF) for the alloys synthesized in this work (a) and in [19] (b).

Download (17KB)
Indexing metadata


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».