收藏本站
收藏 | 论文排版

n型Bi_2Te_3基材料的制备、微结构及其热电性能研究

王善禹  
【摘要】: 热电材料利用材料本身的物理效应来实现电热之间的转换,既可以利用Seebeck效应将热能转化为电能,也可以利用Peltier效应用于制冷领域。碲化铋合金及其固溶体是最早被发现也是现今最重要的热电材料体系之一,其主要用于热电制冷领域。作为现今唯一得到商业化应用的热电材料,因区熔技术具有工艺简单、容易产业化、制备过程无相变和区熔材料的热电优值较高等诸多优点,使之成为现今商用碲化铋合金主要制备技术。但采用区熔材料制备的器件热电转换效率仍然偏低,使得其大规模应用受到了限制,而且区熔材料的机械性能较差,不利于材料的加工和器件的制备,因此必须通过优化材料的制备工艺来提高材料的热电性能和机械性能。 本论文以n型碲化铋基区熔材料为起始原料,采用自主开发的材料制备技术—熔体旋甩(MS)结合放电等离子技术(SPS)来制备具有高热电优值和高机械性能的n型碲化铋基块体热电材料,系统地研究了熔体旋甩工艺和放电等离子烧结工艺条件对材料的微结构和热电性能的影响规律,从而确定了一套最佳的MS+SPS工艺。主要的研究内容和研究结果如下。 探索了MS+SPS技术制备高性能纳米结构n型碲化铋化合物的可能性,从而发展了MS+SPS技术制备单相块体碲化铋材料的新方法。薄带与铜辊接触的表面结晶较差,无明显的晶界,而未接触铜辊的自由面为枝状晶,枝状晶的尺度约为几百纳米。将薄带样品研磨后经SPS烧结得到致密的块体材料,相比区熔材料,MS+SPS样品的晶粒得到了显著细化,晶粒排列无明显择优取向,而且存在大量尺寸在10-100nm的纳米层状结构。区熔样品的电热传输性能存在明显的取向性,沿基面方向最大的热电优值为ZTmax=0.72@420K;将区熔样品研磨SPS后,样品的取向性得到了降低,但其热电性能有一定程度的降低;原料经MS+SPS处理后,样品的热电性能为各向同性的,最大的ZTmax=0.90@360K,室温ZT值相比区熔材料提高了50%。对上述三种不同工艺得到样品进行抗压强度测试,结果表明:区熔样品沿基面容易解理,强度低,仅为40MPa;研磨SPS后,强度增加可达到110 MPa;而MS+SPS样品的强度得到了大幅提高,可达200 MPa,相比区熔材料提高了近400%。 在确定的MS喷气压力和管口直径,通过改变铜辊转速来改变冷却速率,探索不同冷却速率对材料的微结构和热电性能的影响。研究表明:随着铜辊转速的提高,薄带样品自由面的枝晶和接触面上的晶粒尺寸都逐渐减小,同时存在大量结构更为精细的纳米结构;铜辊转速为40m/s的薄带样品的HRTEM分析可知样品中存在大量尺寸在10-50nm的纳米晶粒,在纳米晶周围为非晶成分。对块体样品的FESEM观察也可以看出随着铜辊转速的增加,样品的晶粒尺寸有减小的趋势,但是变化较小,样品中同样存在大量层状结构,HRTEM观察也可以看到样品中存在大量尺寸5-20nm的纳米晶,很好地继承了薄带的结构。对烧结块体样品的热电性能测试表明:随着铜辊转速的提高,样品的电导率逐渐降低,Seebeck系数逐渐提高,且热导率逐渐降低;铜辊转速为30m/s的样品在360K最大ZT可以达到0.93,室温ZT值相比区熔原料提高了47%。 在确定的MS工艺的条件下,研究不同SPS温度和压力对烧结块体样品的微结构和热电性能影响。SPS温度对材料的微结构和热电性能有着显著影响:低温下烧结的样品显著地保留了原始粉体和MS带子的形貌,且块体致密度较低;当烧结温度为高于400℃,样品烧结致密,无带子痕迹。随烧结温度增加,样品的晶粒逐渐长大,500℃烧结样品的晶粒长大较为显著。热电性能测试结果表明:随着烧结温度的增加,样品的电导率和Seebeck逐渐增加,且不同温度烧结样品的热导率变化较小;随着SPS烧结温度的增加,样品的ZT值逐渐升高,450℃烧结的样品具有最高的ZT,在360K可达到0.96,而且其室温ZT值相比原料ZM样品提高了53%,500℃烧结样品因成分挥发出现反常。在确定SPS温度为450℃的条件下,调节SPS压力,可以看出压力对样品的微结构和热电性能影响较小,可以认为SPS压力对烧结块体的微结构和热电性能没有影响。 综上可知,以商业区熔材料为原料,最佳的MS+SPS工艺条件为:MS转速为3000 rpm,喷气压力为0.02 MPa; SPS温度为450℃,压力为20MPa。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 卢波辉,赵新兵,倪华良,吉晓华;热压法制备Bi_2Te_3基热电材料的组织与性能[J];兵器材料科学与工程;2004年03期
2 李洪林,苟立,冉均国;纳米Bi_2Te_3基热电材料最新研究进展[J];现代技术陶瓷;2005年02期
3 安百俊;汪元元;杜永;蔡克峰;;表面活性剂对水热合成Bi_2Te_3纳米结构形貌的影响[J];材料导报;2010年S2期
4 周洋;王广胜;贾艳春;李健;邓元;;Bi_2Te_3片式阵列的制备及生成机理[J];稀有金属材料与工程;2007年S2期
5 张丽娟,赵新兵,刘欣艳,夏定国,胡淑红;无机有机复合材料Bi_2Te_3/PAn电化学嵌锂性能研究[J];稀有金属材料与工程;2005年04期
6 刘松秀;刘红梅;黄开勋;;低温湿化学还原法制备Bi_2Te_3单晶纳米棒[J];无机材料学报;2008年02期
7 侯杰;杨君友;朱文;郜鲜辉;;Bi_2Te_3热电薄膜的电化学原子层外延制备[J];功能材料;2006年07期
8 王为;;薄膜温差电材料的电沉积机理研究及微型温差电池的制造技术[J];功能材料信息;2007年05期
9 段兴凯;于福义;江跃珍;胡孔刚;杨君友;;Bi_2Te_3基热电薄膜材料的制备方法研究[J];材料导报;2008年S3期
10 李亚丽;蒋俊;许高杰;段雷;李志祥;王琴;李勇;崔平;;Bi_2Te_3基热电材料的湿化学还原法合成反应机制[J];稀有金属材料与工程;2007年S2期
11 刘松;曹传宝;籍凤秋;安晓强;许亚杰;;Bi_2Te_3纳米晶溶剂热合成及表征[J];人工晶体学报;2006年04期
12 赵立东;张波萍;李敬锋;刘玮书;周敏;;纳米SiC分散的Bi_2Te_3热电材料的制备与性能研究[J];稀有金属材料与工程;2007年S2期
13 王为,贾法龙,黄庆华,张伟玲,郭鹤桐,申玉田;电化学组装一维纳米线阵列p型Bi_2Te_3温差电材料[J];无机材料学报;2004年03期
14 荣剑英,赵洪安,吕长荣,段福莲,李将录,董兴才,赵秀平;大尺寸(Bi_2Te_3)_(0.90)(Sb_2Te_3)_(0.05)(Sb_2Se_3)_(0.05)晶体的生长及性能[J];人工晶体学报;1997年Z1期
15 吕强,荣剑英,赵磊,张红晨,胡建民,信江波;热压工艺参数对n型和p型Bi_2Te_3基赝三元热电材料电学性能的影响[J];物理学报;2005年07期
16 崔教林,赵新兵,朱铁军,胡淑红;两元P-型梯度结构热电材料FeSi_2/Bi_2Te_3的制备与性能[J];中国有色金属学报;2001年06期
17 崔教林,赵新兵,朱铁军,胡淑红;n-型梯度结构热电材料FeSi_2/Bi_2Te_3的制备与性能研究[J];功能材料;2001年04期
18 吉晓华,赵新兵,倪华良,刘晓虎;溶剂热合成Bi_2Te_3基合金的结构与电学性能[J];中国有色金属学报;2004年01期
19 张艳华,赵新兵,吉晓华;含镧的Bi_2Te_3基化合物的溶剂热合成及微观结构[J];中国稀土学报;2004年01期
20 吉晓华,赵新兵,张艳华,卢波辉,倪华良;Bi_2Te_3纳米颗粒和纳米线的溶剂热合成及组织特征[J];中国有色金属学报;2004年09期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈太师;李兆国;宋凤麒;王伯根;王广厚;;Cu掺杂Bi_2Te_3单晶的扩展X射线精细结构分析[A];第十六届全国原子与分子物理学术会议论文摘要集[C];2011年
2 王春晓;朱燮刚;Louis Nilsson;文竞;单新岩;张青;贾金锋;薛其坤;张树霖;;超高真空环境下拓扑绝缘体Bi_2Te_3薄膜的原位拉曼光谱研究[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年
3 樊希安;王国强;洪小杰;李光强;鲍思前;宋新莉;朱诚意;侯艳辉;;Bi_2Te_3基核壳异质结构纳米线的合成与热电性能[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
4 骆军;朱航天;梁敬魁;饶光辉;;Bi_2Te_3三翼纳米带的共格生长和准周期粗糙表面[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
5 林青含;邱丽琴;周健;程璇;;Bi_2Te_3基薄膜材料的电化学沉积机理[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
6 周西松;林元华;南策文;;低温合成SnTe-Bi_2Te_3系热电材料及其性能研究[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
7 周燕飞;李小亚;陈立东;;在微重力条件下生长n-型Bi_2Te_3基晶体的低温热电性能的研究[A];中国空间科学学会空间材料专业委员会2011学术交流会论文集[C];2011年
8 王富强;陈晖;成艳;王忠;朱磊;简旭宇;;超声波-水热法合成Bi_2Te_3纳米管[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(4)[C];2007年
9 穆武第;程海峰;唐耿平;;PbTe量子点对Bi_2Te_3热电薄膜电学性能的影响研究(英文)[A];真空技术与表面工程——第九届真空冶金与表面工程学术会议论文集[C];2009年
10 段兴凯;江跃珍;胡孔刚;;真空熔炼合成Na-Al共掺杂Bi_2Te_3的微结构研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 裘武军;电化学沉积法制备薄膜Bi_2Te_3基热电材料[D];浙江大学;2011年
2 肖承京;多尺度Bi_2Te_3系热电材料的制备及性能优化研究[D];华中科技大学;2010年
3 朱艳兵;Bi_2Te_3掺杂p型温差电材料的电化学制备、表征及沉积机理研究[D];天津大学;2012年
4 安继明;Bi_2Te_3系、Ca_3Co_2O_6系热电材料的电子结构计算与热电陶瓷制备[D];武汉理工大学;2004年
5 王晓琳;Bi_2Te_3体系的材料制备、晶体结构及热电性能[D];武汉理工大学;2010年
6 周丽娜;Bi_2Te_3及Bi_2Te_3/碳纳米管的化学法制备和热电性能研究[D];浙江大学;2010年
7 童宇;Bi_2Te_3热电材料力学性能的分子动力学研究[D];武汉理工大学;2010年
8 黄庆华;Bi_2Te_3基温差电材料薄膜和一维纳米线的电化学制备、表征及形成机理研究[D];天津大学;2005年
9 倪华良;Bi_2Te_3基纳米复合热电材料的合成与性能[D];浙江大学;2007年
10 穆武第;碲化铋基热电薄膜制备及其热电性能研究[D];国防科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丁正;Bi_2Te_3基热电材料的热压法制备及性能研究[D];北京有色金属研究总院;2011年
2 闫伟;n型Bi_2Te_3热电材料的制备及其力学性能评价[D];东华大学;2011年
3 王婵;低温湿化学法制备Bi_2Te_3基热电材料[D];华南理工大学;2011年
4 王善禹;n型Bi_2Te_3基材料的制备、微结构及其热电性能研究[D];武汉理工大学;2010年
5 陈晓宗;纳米级Bi_2Te_3粉体的制备及其烧结性能研究[D];东华大学;2012年
6 周微;热挤压法制备Bi_2Te_3基热电材料及其性能研究[D];武汉理工大学;2010年
7 赵堃;Bi_2Te_3压致结构畸变及热电效率提高的第一性原理研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 卢波辉;热压Bi_2Te_3基纳米复合热电材料的制备与性能[D];浙江大学;2004年
9 赵晴;Bi_2Te_3及其与聚苯胺复合材料的制备及热电性能研究[D];南京航空航天大学;2010年
10 许建安;用于相变存储器的SnTe-Ge_2Sb_2Te_5和Bi_2Te_3基相变材料研究[D];上海交通大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 王小龙;新型热电材料可将汽车废热转为电能[N];科技日报;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978