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稀土掺杂Mg_2Si基热电材料的快速合成及其性能分析

王丽七  
【摘要】: 热电材料,又称温差电材料,是一种能够实现热能和电能直接相互转换的功能材料。热电器件具有无污染、无噪声、易于维护、安全可靠等优点,在温差发电和热电制冷等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景,其主要应用于低品位热能发电,航天、微电子及制冷等领域。Mg_2Si具有载流子有效质量大、迁移率高、原料丰富、价格低廉、环境友好等特点,是一种应用于500K-800K温度区间的优良热电材料。 本文采用机械研磨—电场激活压力辅助合成(Field-Activated and Pressure-Assisted Synthesis,简称FAPAS)技术,实现了Mg_2Si基热电材料的快速合成与致密化。制备了稀土(RE) Sc、Y掺杂的Mg_2Si基热电材料,并与Sb及Sn进行掺杂对比。 X射线衍射分析表明,Sc、Y、Sb均能与Mg_2Si形成置换固溶体,其中Sc、Y取代Mg,Sb取代Si;微量掺杂元素不改变Mg_2Si的主晶相,且峰形尖锐,结晶度好;三种元素在Mg_2Si中的固溶极限分别为2500ppm,2000ppm和5000ppm;Y的掺杂实现了Mg_2Si0.5Sn0.5的良好固溶。SEM断口形貌分析表明,Y没有改变Mg_2Si的板条层状结构。 FAPAS技术合成Mg_2Si的ZTmax为传统热压法的1.42倍。掺杂不同含量的Sc、Y、Sb的功率因子均在掺杂量在固溶极限处为最佳,且明显高于未掺杂试样。其中掺杂2500ppmSc的试样为未掺杂试样的2.76倍,掺杂2000ppmY的试样为未掺杂试样的2.03倍,掺杂5000ppmSb的试样为未掺杂试样的2.73倍。掺杂2000ppmY试样的热导率比未掺杂试样降低20%,在468K时掺杂试样的ZT值是未掺杂试样的2.30倍, ZTmax达0.23,明显高于纯Mg_2Si的ZTmax 0.18。采用FAPAS技术合成并掺杂稀土元素不失为一种提高Mg_2Si基热电材料性能的新途径。


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