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n型Mg_2(Si/Sn)基热电化合物的制备与热电性能研究

柳伟  
【摘要】: 本论文在综合阐述国内外Mg_2Si_(1-x)Sn_x基热电材料研究进展的基础上,选用低温固相反应法结合SPS快速致密化技术合成了Mg_2Si_(1-x)Sn_x单相化合物,研究了固相反应和SPS工艺制度对化合物物相的影响,研究了Sn固溶量、Sb掺杂量及SPS工艺制度对化合物热电性能的影响规律,得到如下结论: (1)采用一步固相反应法,在823K固相反应8~10h结合SPS制备出单相Mg_2Si化合物,在873K反应24h结合SPS制备出单相Mg_2Sn化合物;采用两步固相反应法在923~973K反应24~80h得到单相Mg_2Si_(1-x)Sn_x(0<x<1)固溶体化合物。物相检索显示,得到Mg_2Si_(1-x)Sn_x(0≤x≤1)单相化合物,随Sn固溶量增加,化合物谱峰朝低角度方向偏移,同时,x=0.2、0.4和0.6组分化合物谱峰严重宽化,为非连续固溶体组分化合物。随Sn固溶量增加,材料电导率增加,Seebeck系数绝对值降低;材料晶格热导率先降低后增加,当x=0.4时化合物晶格热导率值最低,在300~820K仅为1.2~2.1Wm~(-1)K~(-1);x=0.2时化合物在640K获得最高ZT值0.16,相比目前报道Mg_2Si_(1-x)Sn_x化合物的最高ZT值提高了近23%。 (2)使用手套箱辅助固相反应合成操作,合成了一系列Sb掺杂的Mg_2Si_(0.6-y)Sn_(0.4)Sb_y(0≤y≤0.015)化合物,不同Sb掺量的化合物均为单相化合物。室温载流子浓度随Sb掺入量增加先增加后减小,在y=0.0125获得最大值,表明Sb在Mg_2Si_(0.6)Sn_(0.4)化合物的固溶极限可能在y=0.0125附近。Sb的掺入显著提高材料的热电性能,随Sb掺入量增加,产物电导率先增加后降低,Seebeck系数绝对值先降低后升高,功率因子先增加后降低,热导率先增加后降低,ZT值先增加后降低,变化的拐点均为y=0.0125;y=0.0125组分在860K获得最大热电优值ZT达1.11,为目前这个组分报道的最高值。SPS工艺优化能显著提高化合物的热电性能,对Mg_2Si__(0.5925)Sn_(0.4)Sb_(0.0075)化合物,通过优化SPS温度制度来优化材料的热电性能,4#样品在773~973K缓慢升温,后续一个快速烧结阶段,获得最高热电优值,在780K获得最大热电优值ZT达1.16,相比上一节同一组成化合物获得最高热电优值1.0,提高了近16%。


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