碲化鉍基熱電材料制備與性能研究.pdf

1、熱電轉(zhuǎn)化材料是基于半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)（Seebeck）和帕爾貼效應(yīng)（Peltier）進(jìn)行熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的一類(lèi)功能材料。碲化鉍基熱電材料是目前室溫條件下性能最好的熱電轉(zhuǎn)換材料之一，但傳統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)方法制得的碲化鉍基材料的熱電性能較低，其熱電優(yōu)值ZT一直在1.0左右，且其力學(xué)性能較差，不利于材料的加工和器件的制備。因此，需要制備出同時(shí)具有較高的熱電性能和較強(qiáng)的力學(xué)性能的熱電材料，來(lái)進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)以碲化鉍基熱電材料為研

2、究對(duì)象，采用區(qū)熔法或熱等靜壓燒結(jié)法，通過(guò)元素?fù)诫s方式，制得區(qū)熔熱電材料和燒結(jié)熱電材料，并研究了其微觀結(jié)構(gòu)及熱電輸運(yùn)性能。其主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：
　?。?）采用區(qū)熔法制備Sr摻雜P型Bi0.48Sb1.52Te3熱電材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用Sr2+取代基體中Bi3+，使材料內(nèi)部載流子濃度提高，優(yōu)化材料的電學(xué)性能。由于Sr元素的摻雜，基體中產(chǎn)生了大量缺陷，如晶界、點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)等，能對(duì)不同波段的聲子進(jìn)行有效散射，使材料晶格熱導(dǎo)率降低

3、。最終，摻雜量x=1.25的樣品在350K獲得的熱電優(yōu)值ZT高達(dá)1.32，較基體材料（0.98）提高大約35%。
　　（2）采用區(qū)熔法制備N(xiāo)型Bi2Te2.79Se0.21區(qū)熔鑄錠，然后粉碎、過(guò)篩，以不同粒徑范圍的區(qū)熔粉料為起始原料，利用熱等靜壓燒結(jié)法制備原料粒徑處于不同范圍的N型Bi2Te2.79Se0.21熱電材料。燒結(jié)樣品的取向性隨原料粒徑的增大而逐漸變好；燒結(jié)樣品原料粒徑越小，其熱電性能越好。原料粒徑小于96um的燒結(jié)樣品

4、在420K獲得最高ZT值0.61。區(qū)熔鑄錠的粉碎、燒結(jié)過(guò)程不僅使其載流子濃度增加，還引入大量缺陷，降低晶格熱導(dǎo)率。雖然燒結(jié)樣品熱導(dǎo)率較低，但其功率因子降低幅度也較大，使得燒結(jié)樣品的最高ZT值（0.61）明顯低于區(qū)熔材料（0.89）。但當(dāng)溫度為455K到550K，由于燒結(jié)樣品的熱導(dǎo)率仍然較低，能夠彌補(bǔ)其在功率因子方面的不足，使原料粒徑小于96um的燒結(jié)樣品在該溫度段的ZT值略高于區(qū)熔樣品。
　?。?）熱等靜壓燒結(jié)法的優(yōu)化，并探究樣品

5、在該工藝過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。以相同粒徑范圍的 N型 Bi2Te2.79Se0.21區(qū)熔粉料為起始原料，采用熱等靜壓燒結(jié)法制備有真空燒結(jié)步驟和無(wú)真空燒結(jié)步驟的兩組燒結(jié)樣品。有真空燒結(jié)步驟的樣品內(nèi)部晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致其晶格熱導(dǎo)率相對(duì)較高。當(dāng)溫度為455K到550K，無(wú)真空燒結(jié)樣品的ZT值略高于有真空燒結(jié)樣品。因此，可以通過(guò)省略真空燒結(jié)步驟來(lái)優(yōu)化熱等靜壓燒結(jié)法，在提高材料熱電性能的同時(shí)還能節(jié)約能源，且樣品經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)法處理后仍保持較好的取向性