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高性能Bi_2Te_3基热电合金制备与性能研究

王晓琳  
【摘要】:本文首先对热电现象,热电材料的发展历史进行了比较详细的综述。已有的研究表明,以Bi_2Te_3为基,掺入不同元素得到的固溶体合金是目前为止最好的低温区热电半导体材料。 应用先进粉末冶金技术与SPS相结合的方法制备了n型Bi_2(Te_(0.975)Se_(0.025))_3和p型(Bi_(0.2)Sb_(0.8))_2Te_3热电半导体合金,研究了热电性能与烧结温度变化的关系,并确定了最佳的制备工艺。结果表明,在该体系中Bi、Se元素的熔沸点较低使得在熔炼和烧结过程中这两种元素极易气化和析出,影响试样的热电性能。所以合金熔炼时应充入惰性保护气体,烧结时温度不宜过高。对于p型材料,烧结温度的提高有利于材料电导率的提高,不利于材料Seebeck系数的提高。对于n型材料,随着烧结温度的提高电导率先减小后增大,Seebeck系数先增大后减小。n型Bi_2Te_3基热电材料的熔炼温度是620℃,最佳的烧结温为是400℃。p型Bi_2Te_3基热电材料的熔炼温度是700℃,最佳的烧结温度为470℃。 本文对n型Bi_2(Te_(l-x)Se_x)_3和p型(Bi_(l-x)Sb_x)_2Te_3固溶体的元素配比进行了研究,采用已确定的最佳工艺,制备了不同x值的固溶体,并比较了各试样的热电性能。结果表明,x=0.1~0.15时,可以得到热电性能最好的n型热电合金,其无量纲热电优值ZT在0.8左右;x=0.7~0.8时,可以得到热电性能最好的p型热电合金,其无量纲热电优值在1.16左右。 本文对垂直和平行压力方向上的试样进行了研究。通过对XRD的分析发现试样在不同方向上的各晶面的X射线衍射峰强度存在明显差异,对试样的SEM照片观察表明,不同方向上的试样形貌不同,证明在合金试样的内部存在晶粒的优化取向,合金为各向异性材料。其中p型试样的晶粒取向优于n型试样的,烧结温度的提高有利于p型合金晶粒取向的优化,对n型材料无明显的作用。


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