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P型Bi_2Te_3基复合热电材料的制备及其性能研究

宋子珺  
【摘要】:Bi2Te3及其合金是室温附近性能最优的热电材料(热电优值,即ZT值在1左右)。其中Bi2-xSbxTe3为性能最优的P型热电材料。尽管Bi2Te3基热电材料已经在温差发电和半导体制冷方面获得了应用,但是由于原料昂贵、制备工艺周期长、热电转换效率不够高等原因,导致热电材料还没有实现大规模应用。所以如何实现低成本制备高性能热电材料,对推动热电材料及其器件的应用将会有重要的意义。决定热电材料热电优值(ZT值)的三个重要参数:Seebeck系数(α),电导率(σ)和热导率(κ)是由能带结构和散射机制及其相互影响决定的,因此如何调控上述三个参数是热电材料领域面临的一个重大课题。在降低热电材料热导率的同时,提升电导率和Seebeck系数,是发展高性能热电材料的关键之一。本论文通过低成本的水热方法合成Bi2-xSbxTe3粉体,采用引入第二相的复合的方法,来实现在降低热导率或者不使热导率受到很大的影响的同时增加复合块体材料的Seebeck系数和电导率,最终提升材料的ZT值。本课题通过将多壁碳纳米管(MWCNT)、银纳米线(AgNWs)、CuAlO2来调节α,σ,κ,实现三个参数的协同优化,最终实现材料ZT值的提升。本论文首先采用水热法与放电等离子烧结(SPS)技术相结合的方法探索制备Bi0.4Sb1.6Te3基体,采用固相反应烧结法制备多粒径的cualo2粉体。然后依次将mwcnt、agnws、cualo2与bi0.4sb1.6te3纳米粉体进行复合,最后采用sps技术烧结成致密的块体复合材料,系统研究块体热电材料的晶相、显微结构和热电性能,主要内容如下:(1)采用水热法成功合成了bi0.4sb1.6te3粉体,粉体粒径从几纳米到几百纳米,颗粒尺寸分布较宽。颗粒主要有片状,棒状两种形貌。结合热电性能以及材料的机械性能综合考虑,最终确定最佳的sps烧结制度为400℃,40mpa。(2)分别采用冷冻研磨法和超声分散法将mwcnt及agnws与bi0.4sb1.6te3复合,采用sps技术制备了mwcnt/bi0.4sb1.6te3及agnws/bi0.4sb1.6te3复合块体热电材料。研究了mwcnt和agnws不同含量对于复合材料的物相、微观形貌、晶粒尺寸、电导率、seebeck系数、热导率和霍尔系数等方面的影响。研究结果发现,虽然mwcnt的添加有效地降低了复合块体样品的热导率,但同时也降低了电导率,而上升的seebeck系数补偿了下降的电导率,提升了功率因子。当mwcnt的质量分数为5wt%,复合块体的zt值在300k达到最大值0.22。比复合前纯的块体材料的最大zt值提升了45.6%。但未实现电导率,seebeck系数及热导率的同时优化。而agnws的引入大幅度地提升了复合块体材料的电导率和高温的seebeck系数,同时降低了复合块体材料的晶格热导率。当agnws的质量分数为5wt%,复合块体的zt值在480k达到最大值0.54,比复合前纯的块体材料的最大zt值提升了260%,并实现了降低热导率同时提升电导率和seebeck系数。(3)尽管引入agnws可以同时调控α,σ和κ,但是从应用的角度考虑,引入低成本的第二相来调控热电性能更具有现实意义。我们提出了一种新的设计思路来提高热电材料的性能:即将不同粒径的cualo2引入到bi0.4sb1.6te3基体中,利用其粒径大小导致化学稳定性差异的特点,实现了电导率、seebeck系数和热导率的协同调控,显著提高了材料的热电性能。采用固相反应烧结法制备了cualo2粉体(其中小颗粒粒径为50~200nm,大颗粒粒径尺寸为1~2μm)。首先将cualo2粉体筛分,然后选择不同粒径的cualo2粉体与bi0.4sb1.6te3粉体混合,最后采用sps技术烧结得到cualo2/bi0.4sb1.6te3复合块体材料。研究了cualo2的不同含量和粒径尺寸对于复合材料的物相、微观形貌和尺寸及对电导率、seebeck系数、热导率和霍尔系数等热电性能的影响。研究发现,小粒径cualo2颗粒的cu可能会扩散到bi0.4sb1.6te3基体中,提升了复合块体材料的电导率。同时,大尺寸的cualo2颗粒仍然保持了化学组成,在测试温度范围内提高了复合块体样品的seebeck系数,使得复合后材料的最高seebeck系数比复合前的最大值提升了7.7%,成功地解耦了seebeck系数与电导率的关系,实现了两者的协同调控。此外,cualo2与bi0.4sb1.6te3晶粒之间所形成了粗糙且不连贯的两相界面,同时由于引入cualo2相有效抑制了bi0.4sb1.6te3晶粒的的生长,所以上述综合作用降低了复合材料的晶格热导率。当cualo2复合量为0.6vol.%时,复合块体材料在375k时达到最大zt值0.62,比复合前bi0.4sb1.6te3块体样品的最高zt值提升了307%。通过引入不同粒径的CuAlO2,利用纳米颗粒和微米颗粒化学稳定性的差异,实现了复合材料的热导率、电导率和Seebeck系数的协同调控,为低成本调控热电材料性能探索了一条新途径。


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