摻雜β-FeSi-,2-基熱電材料的制備及性能研究.pdf

1、熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與熱能直接相互轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體功能材料，在溫差發(fā)電和熱電制冷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。B-FeSi2基熱電材料由于其價格低廉且性能較優(yōu)等特點，在世界能源危機日益顯現(xiàn)和人們致力于綠色能源開發(fā)的今天，對其的研究開發(fā)應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實意義。本課題采用“機械合金化-常溫模壓或熱壓燒結(jié)——真空熱處理”方法，以SEM、EDS、XRD為主要分析手段，對摻雜B-FeSi2基熱電材料的微觀組織結(jié)構(gòu)、成分優(yōu)化設(shè)計、相交規(guī)律、制備工藝優(yōu)

2、化設(shè)計和熱電性能進行了深入探索和系統(tǒng)研究，成功設(shè)計并制成了Seebeek系數(shù)的有效測量裝置，并研制出具有一定熱電轉(zhuǎn)換效率的溫差發(fā)電器件。
　　 本文主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下：
　　 B-FeSi2制備工藝的研究及優(yōu)化結(jié)果表明：由于機械合金化過程中引入的大量缺陷和導(dǎo)致的晶粒細化大大提高了Si和Fe的擴散速率，使之與傳統(tǒng)的制備方法相比能更簡單快捷地獲得單相B-FeSi2。機械合金化過程中，當球磨至5小時，已實現(xiàn)完全合金化，生成

3、B-FeSi2、a-Fe2Sis、e-FeSi合金相：在相同機械合金化與常溫模壓工藝條件下獲得的壓坯分別經(jīng)過1100℃保溫2小時結(jié)合800℃保溫2小時的熱處理和經(jīng)過800℃保溫2小時的熱處理，均獲得了單相B-FeSi2，而前者的壓坯發(fā)生了明顯的燒結(jié)現(xiàn)象，這不僅提高了試樣的機械強度，也有利于載流子的遷移。機械合金化粉體經(jīng)過壓力為25MPa，950℃保溫2小時的熱壓燒結(jié)，并結(jié)合800℃保溫2小時的真空熱處理，可獲得單相B-FeSi2。熱壓燒

4、結(jié)方法可明顯降低材料的孔隙率，其Seebeck 系數(shù)絕對值在175uV/K -202u,V/K范圍內(nèi)，優(yōu)于常溫模壓結(jié)合熱處理試樣。
　　 Co摻雜(Fel-xCoxSi2)、Mn摻雜(Fel_xMnXSi2)和Cr摻雜(Fe1.xCrxSi2)對B-FeSi2基熱電材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響研究結(jié)果表明：隨著摻雜量增加，摻Co試樣的Seebeck系數(shù)Q減小，電導(dǎo)率o增大，熱導(dǎo)率K減?。浑S著溫度升高，摻Co試樣的Seebeck

5、 系數(shù)a和電導(dǎo)率o增大，熱導(dǎo)率K減??；當摻Co量x≤0.06時，Co對Fe-Si合金的固態(tài)相變過程不產(chǎn)生顯著影響，熱處理后全部轉(zhuǎn)化為單相B-FeSi2;摻Co試樣的Seebeek系數(shù)為負值，表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體特征，摻Co量x=0.05時材料具有最佳熱電優(yōu)值Ztmax。摻Mn和摻Cr試樣的seebeek系數(shù)均為正值，表現(xiàn)為p型半導(dǎo)體特征；當摻Mn量x<0.06時，均可獲得單相B-FeSi2，隨摻Mn量進一步增加，出現(xiàn)￡相；摻Cr量x=0.0

6、2，0.04時，熱處理后試樣為單相p-FeSi2，而當x增加至0.08時，熱處理后相組成為B、a、￡；金屬相a、￡的存在，明顯降低了摻Mn和摻Cr試樣的Seebeck系數(shù)值。
　　 獨立設(shè)計制作了一套Seebeck系數(shù)測量系統(tǒng)，通過與已做過標準測量的三個試樣的結(jié)果進行比較，測量結(jié)果基本一致，且自制裝置測量的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，因此該測量系統(tǒng)可有效、準確地測量熱電材料的Seebeck系數(shù)。根據(jù)Seebeek效應(yīng)原理，選用熱電性能較好的n