β-Zn-,4-Sb-,3-基納米復(fù)合材料的制備、表征與熱電性能研究.pdf

1、β-Zn4Sb3是最具有應(yīng)用前景的中溫?zé)犭姴牧现?。但由于其本身是重?fù)诫s半導(dǎo)體化合物，摻雜引起的微結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)變化很難有效調(diào)節(jié)載流子的輸運(yùn)特性，如何優(yōu)化β-Zn4Sb3化合物的熱電性能是亟待探索的課題。本文研究了真空熔融緩冷法合成單相β-Zn4Sb3化合物的控制工藝，在此基礎(chǔ)上采用化學(xué)包覆法結(jié)合放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)制備了納米SiO2、納米Cu單一包覆和復(fù)合包覆的β-Zn4Sb3基納米復(fù)合材料；重點(diǎn)研究了包覆層及其厚度對復(fù)合材料

2、的電、熱輸運(yùn)特性和機(jī)械強(qiáng)度的影響。 采用抗酸、堿穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)方法確定了在β-Zn4Sb3粉體表面化學(xué)包覆納米SiO2的工藝，利用該工藝制備了一系列納米SiO2均勻包覆β-Zn4Sb3的SiO2/β-Zn4Sb3納米復(fù)合粒子。這些復(fù)合粒子經(jīng)SPS形成的無裂紋復(fù)合材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率均低于單組分β-Zn4Sb3材料，且隨著納米SiO2包覆層厚度的增加而逐漸下降；Seebeck系數(shù)高于單組分β-Zn4Sb3材料，但高溫區(qū)的增幅明顯高于低

3、溫區(qū)的增幅。納米SiO2包覆層厚度為12 nm的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率最低，460 K時(shí)僅為0.56 W·m-1·K-1，該復(fù)合材料ZT值在700 K達(dá)到0.87，比單組分β-Zn4Sb3材料(ZT=0.67)提高了30％，但低溫區(qū)的刀值低于單組分β-Zn4Sb3材料。 確定了液相還原法制備單相納米Cu的優(yōu)化工藝，并通過原位液相還原和化學(xué)鍍方法制備了一系列納米Cu均勻包覆β-Zn4Sb3的Cu/β-Zn4Sb3納米復(fù)合粒子。這些復(fù)合粒

4、子經(jīng)SPS燒結(jié)形成的無裂紋Cu/β-Zn4Sb3納米復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)制發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)出本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性；Seebeck系數(shù)隨著溫度的升高先大幅度增大然后又逐漸降低；熱導(dǎo)率高于單組分β-Zn4Sb3材料的熱導(dǎo)率，且隨著納米Cu包覆層厚度增加而逐漸增大。 采用化學(xué)包覆法制備了一系列納米Cu和納米SiO2復(fù)合包覆β-Zn4Sb3的Cu(SiO2)/β-Zn4Sb3納米復(fù)合粒子。這些復(fù)合粒子經(jīng)SPS燒結(jié)形成的無裂紋Cu((SiO

5、2)/β-Zn4Sb3納米復(fù)合材料的熱電輸運(yùn)特性表現(xiàn)為，包覆層厚度小于6 nm時(shí)，復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨溫度升高先逐漸降低后略有升高、Seebeck系數(shù)逐漸升高，呈重?fù)诫s半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性；大于6 nm時(shí)，隨溫度升高復(fù)合材料的電導(dǎo)率逐漸升高、Seebeck系數(shù)先升高后降低，表現(xiàn)出本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。包覆層厚度為3 nm時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率最低，該材料的ZT值在700 K達(dá)0.88，比單組分β-Zn4Sb3材料(ZT=0.67)提高了31％。