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

1、β-Zn4Sb3是最具有應(yīng)用前景的中溫熱電材料之一。但由于其本身是重摻雜半導體化合物，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單一包覆和復合包覆的β-Zn4Sb3基納米復合材料；重點研究了包覆層及其厚度對復合材料

2、的電、熱輸運特性和機械強度的影響。 采用抗酸、堿穩(wěn)定性實驗方法確定了在β-Zn4Sb3粉體表面化學包覆納米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納米復合粒子。這些復合粒子經(jīng)SPS形成的無裂紋復合材料的電導率和熱導率均低于單組分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的復合材料的熱導率最低，460 K時僅為0.56 W·m-1·K-1，該復合材料ZT值在700 K達到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納米復合粒子。這些復合粒

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

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