P型(Zn1-xGex)4Sb3化合物的熱電性能及力學性能研究.pdf

1、β-Zn4Sb3化合物是一類重要的中溫熱電材料，具有較好的熱電性能，但其高溫穩(wěn)定性和力學性能較差，限制了其實際應用。
　　 本論文針對傳統(tǒng)熔融法制備的β-Zn4Sb3塊體材料高溫穩(wěn)定性及力學性能差等問題，采用微量Ge摻雜減少間隙Zn的含量，有效抑制高溫下間隙Zn的遷移，顯著改善材料的高溫穩(wěn)定性和力學性能。同時采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)及熔體旋甩(MS)結(jié)合放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)，進行材料微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，進一步提高材料的

2、力學性能。系統(tǒng)研究了真空熔融法、SPS技術(shù)、MS-SPS技術(shù)三種不同制備工藝及不同Ge摻量對材料的微結(jié)構(gòu)、熱電性能及力學性能的影響規(guī)律。得到如下結(jié)論:
　　 采用真空熔融緩冷技術(shù)制備了不同Ge摻量的(Zn1-xGex)4Sb3(x=0.0、0.0025、0.005、0.0075)塊體材料。Ge的摻入大幅度改善了材料的電傳輸性能，同時由于材料本身較低的熱導率，使得Ge摻雜樣品最終的ZT值均有所提高，其中，0.25％Ge摻雜樣品在6

3、70 K時最大ZT值達1.24，與未摻雜樣品相比提高了24％。此外，Ge的摻入提高了材料在高溫下的熱力學穩(wěn)定性，同時大幅度提高了材料的力學性能，其中，0.25％Ge摻雜樣品在室溫下的壓縮強度和彎曲強度分別為219.1 MPa和36.8 MPa，與未摻雜樣品相比分別提高了66％和103％。
　　 采用SPS技術(shù)制備了不同SPS燒結(jié)壓力(30-50 MPa)的β-Zn4Sb3塊體材料和不同Ge摻量的(Zn1-xGex)4Sb3(x=

4、0.0、0.0025、0.005、0.0075)塊體材料。隨著燒結(jié)壓力的增加，塊體樣品的致密度增大，材料的熱電性能及力學性能增加。SPS技術(shù)制備的0.25％Ge的(Zn1-xGex)4Sb3塊體材料在670 K時最大ZT值達1.22。隨著Ge摻量的增加，材料的力學性能逐漸增強，其中，含有ZnSb第二相0.75％Ge的SPS塊體樣品在室溫下的壓縮強度和彎曲強度分別為284.5 MPa和60.6 MPa，與相同Ge摻量的熔融錠體相比分別提高

5、了26％和84％。
　　 采用MS-SPS技術(shù)制備了不同MS轉(zhuǎn)速（10-40 m/s）的β-Zn4Sb3塊體材料和不同Ge摻量的(Zn1-xGex)4Sb3(x=0.0、0.0025、0.005、0.0075)塊體材料。隨著銅輥轉(zhuǎn)速的增加，材料的晶粒尺寸減小，材料的熱電性能及力學性能增強。MS-SPS技術(shù)制備的0.25％Ge的(Zn1-xGex)4Sb3塊體材料在670 K時最大ZT值達1.23。隨著Ge摻量的增加，MS-SPS

6、塊體樣品的力學強度逐漸增強，其中，ZnSb第二相含量較多的0.75％Ge的MS-SPS塊體樣品在室溫下的壓縮強度和彎曲強度分別為379.7 MPa和93.3 MPa，與相同Ge摻量的SPS塊體樣品相比分別提高了33％和54％，與相同Ge摻量的熔融錠體相比分別提高了68％和183％。
　　 MS-SPS技術(shù)能較好的保持材料優(yōu)異的熱電性能，并能縮短材料的制備時間，更為重要的是對材料力學性能的提高非常顯著，很有希望成為一種商業(yè)化應用的