β-FeSi_2基热电材料的制备及电输运作性能研究
【摘要】:
在综合评述了国内外热电材料研究进展的基础上,以β-FeSi_2热电材料作为研究
对象,采用快速凝固、悬浮熔炼和机械合金化等技术制备了FeSi_2及Fe_2Si_5基合金,
通过XRD、SEM/EDS以及电性能测试等手段,研究了它们的相变,微观结构和电输
运性能,分析了这些合金的相变规律,同时探讨了进一步提高β-FeSi_2热电性能的途
径。
我们自行设计制作了两台热电性能测试装置,分别用于测量热电材料在300K~
800K温度范围内的电性能和热电优值。热电材料电性能测量装置采用热电偶丝作为
电压测量导线,简化了实验装置,能较精确的测量样品两端的温差,从而保证了
Seebeck系数测量的准确性,此装置还可同时测量热电材料的电阻率。热电优值测量
装置根据Harman原理,利用通交、直流电流来测量材料的电阻电压和Seebeck电压,
实现热电优值的直接获得。
首次采用单辊快淬法制备了快凝β-FeSi_2热电材料。本文对比研究了快速凝固、
机械合金化和悬浮熔炼FeSi_2和Fe_2Si_5基合金的β相转变规律及微观结构特征。对于
快凝FeSi_2合金,因凝固态组织细小,具有更多的反应界面,使α-Fe_2Si_5和ε-FeSi金
属相生成β-FeSi_2热电半导体相的包析反应速率明显提高,在800℃仅退火18h就完
成β相转变,而常规方法(传统感应熔炼)制备的FeSi_2合金完成转变则需要144h。Cu
添加也能显著缩短形成β相所需的时间。在机械合金化过程中加入少量Cu(0.2at.%),
仅需球磨100h就有大量β相形成,比文献报导缩短了5倍。悬浮熔炼的Cu添加FeSi_2
基合金800℃退火10h后基本完成β相转变,而快凝法制备的同成分合金只需退火6h。
凝固态的Fe_2Si_5基合金通过α相的共析分解形成β相,即α→β+Si,因此β相转变速率
比包析反应明显增加。悬浮熔炼Cu添加的Fe_2Si_5基合金800℃退火4h就完成了β相
转变,对于快凝的Cu添加Fe_2Si_5基合金,尽管快凝过程降低了Cu在β-FeSi_2层错面
上的浓度,完成β相转变也只需要14h。FeSi_2和Fe_2Si_5基合金的粉末均呈不规则形状,
导致烧结体具有多孔特征,但快凝合金烧结体比悬浮熔炼合金的烧结体更为致密。
本文还研究了FeSi_2和Fe_2Si_5基合金的电输运性能。晶界和过量Si对载流子的散
射对β-FeSi_2的电性能有重要影响。快凝FeSi_2基合金因晶粒细小,有较强的晶界散射,
Seebeck系数和电阻率比相应的悬浮熔炼合金要高。当Si过量时,由于弥散分布于β
相基体上的Si粒子间距小于晶粒尺寸,对载流子散射起了主导作用,导致快凝Fe_2Si_5
基合金的Seebeck系数与悬浮熔炼Fe_2Si_5基合金相比没有显著增加。当Si含量过高
时,由于析出的Si粒子尺寸增大,对载流子散射减弱,使功率因子没有明显改善。
在我们的实验中,获得最大功率因子时的Si含量为67.7at.%。
浙江大学协士研兜生学位论文
首次提出在FesiZ合金中用稀土Sin替换部分Fe的探索性设想,并制备了名义
成分为 Feoesm*Siz的材料。发现它是卜Fesiz和 Smsil。共存的复相合金,为 N型传
导,电阻率比卜Fest。下降了1-二个数量级,Seebeck系数却没有明显降低,从而使得
功率因子显著提高。这一发现表明,通过进一步的成分优化和掺杂处理,含稀土的
复相合金有望成为新型高性能热电材料。
本文也对新型热电材料p上NSb3进行了初步探索。未掺杂pzNSb3是P型半导
体,禁带宽度约为0石8 eV,在600K左右开始出现本征激发,功率因子最大值约为
3.9x10“Win”‘.K”‘,采用合适的材料制备技术和成分优化措施后,有望进一步提高其
热电性能。
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1 |
朱文,杨君友,崔昆,张同俊;热电材料在发电和制冷方面的应用前景及研究进展[J];材料科学与工程;2002年04期 |
2 |
姜广宇;徐绩;赵波;蔚翠;朱铁军;赵新兵;;悬浮熔炼制备Half-Heusler合金Zr_(1-x)Ti_xNiSn_(0.975)Sb_(0.025)及其热电性能[J];稀有金属材料与工程;2009年10期 |
3 |
朱铁军,赵新兵;β-FeSi_2热电材料的性能优化及测试方法[J];材料科学与工程;1999年04期 |
4 |
肖凯;朱铁军;蔚翠;杨胜辉;赵新兵;;Ti掺杂对half-Heusler合金YNiSb热电性能的影响[J];材料科学与工程学报;2011年02期 |
5 |
张忠模;;日本以电解水的方式用绝缘体成功制备出热电材料[J];功能材料信息;2010年Z1期 |
6 |
赵新兵,朱铁军,李伟文,邬震泰;含稀土硅化铁热电材料的电学性能初探[J];稀有金属材料与工程;2003年05期 |
7 |
吴炳尧;梅本富;;Fe_(33)Si_(67)热电材料机械合金化的相变特点[J];东南大学学报(自然科学版);1993年S1期 |
8 |
;填充方钴矿热电材料的研究进展[J];科学通报;2011年19期 |
9 |
操齐高;马光;郑晶;贾志华;姜婷;;Zintl结构化学在热电材料研究中的应用[J];电子元件与材料;2011年07期 |
10 |
;热电材料掺杂1%稀土转移率提高25%[J];化学与生物工程;2011年03期 |
11 |
姜一平;贾晓鹏;马红安;邓乐;郑世钊;;压力对CoSb_(2.750)Te_xGe_(0.250-x) n型方钴矿化合物的电输运性能的影响[J];功能材料;2010年09期 |
12 |
闵新民,安继明,南策文;稀土—铱—锑合金热电材料的结构与量子化学计算研究[J];计算物理;2000年Z1期 |
13 |
姜洪义,张联盟;Mg-Si基热电化合物的研究现状[J];材料导报;2002年03期 |
14 |
陈学枝,沈静琴,赵松睿,许祝安;Na_xCoO_2晶体的制备、结构和物性[J];低温物理学报;2004年03期 |
15 |
刘旭,张久兴,张艳峰,路清梅;放电等离子烧结制备Ca_2Co_2O_5热电材料及其性能研究[J];功能材料;2004年06期 |
16 |
胡建民,吕强,荣剑英,信江波,王月媛;赝三元热电材料的机械合金化冷压烧结法制备[J];哈尔滨师范大学自然科学学报;2005年03期 |
17 |
;硅材料可将废热变电能[J];能源工程;2008年01期 |
18 |
周金金;张文丽;;热电材料的现状及特点[J];河北理工大学学报(自然科学版);2009年02期 |
19 |
李鑫德;稀土热电材料[J];稀土信息;1997年Z1期 |
20 |
李伟文,赵新兵,邬震泰,曹高劭;含C、Ge的Fe-Si-Mn基热电材料的电学性能[J];功能材料;2003年03期 |
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