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Mg_2Si基热电材料的微波合成机理及热电性能研究

周书才  
【摘要】:热电材料是将热能和电能实现直接相互转换的一种功能材料,可用热电材料制成热电器件实现温差发电,从而充分利用工业上的废气和废热;也可用热电材料制成制冷机在一些特殊环境中替代传统的制冷设备。热电器件具有污染小、噪声低、重量轻、体积小、携带方便、可靠性高等优点,因此关于热电材料的研究与应用具有广阔前景。Mg_2Si是一种应用于500K-800K温度区间的性能优良的热电材料,其组成元素具有原料丰富、价格低廉、环境友好等特点,但镁化学活性高,容易氧化,导致Mg_2Si金属化合物的制备比较困难,因此Mg_2Si基热电材料的制备已成为研究重点之一。本论文采用微波加热合成技术,实现了Mg_2Si基热电材料的快速合成与产品致密化。微波加热合成法是利用微波与物质之间的相互作用产生的介质损耗、电导损耗和磁损耗,在物质内部产生热量,使材料被整体加热至反应温度从而实现相关的化学反应的一种新型材料合成方法,该方法具有体积加热、选择性加热、非热效应等特点。论文从理论和实验方面探索微波加热金属粉体的加热特性及发热机理,并以Mg_2Si微波合成实验为基础,研究了微波固相合成Mg_2Si反应的动力学及机制,同时研究了微波合成Mg_2Si和Mg_2Si1-xSn热电材料的工艺、热电性能、物相结构的特点。通过实验研究工作,本论文得到如下主要研究结论: (1)Mg_2Si基半导体材料在微波加热过程中,加热机理低温时主要以介电损耗为主,高温时主要以电导损耗加热为主。 (2)Mg_2Si压坯在微波场中的加热升温特性与Mg_2Si压坯密度、元素组成和微波输出功率有关:压坯密度越小,加热速率越快,最终所能加热的温度也越高,但Mg_2Si压坯在微波场中最终所能达到的最高温度与Mg_2Si压坯初始密度无关;微波输出功率越大,Mg_2Si压坯加热速度越快;随Sn含量增加,Mg_2Si_(1-x)Sn_x压坯加热速度降低,Mg_2Si压坯的加热速度较Mg_2Sn压坯快。 (3)采用微波辅助加热,制备了Sn掺杂的Mg_2Si_(1-x)Sn_x(x=0、0.2、0.4、0.6、0.8)热电材料,并应用X-射线分析仪(XRD)、电子显微镜和扫描电镜(带能谱分析)分析了试样的物相组成、结构形貌。分析结果表明:采用合适的微波加热工艺制度可以有效抑制Mg氧化;合适的Mg过量可以补偿Mg的挥发;当Mg过量8at%、微波加热功率在2.5Kw(853K)条件下保温30min时,可以得到纯度较高的Mg_2Si热电材料。同时XRD分析表明:在微波辐射下Mg_2Sil_(1-x)Sn_x形成了良好的固溶体并原位形成Mg_2(Si,Sn)结构的复合材料,该方法具有反应温度低,合成速度快等优点。 (4)通过对Mg_2Si基热电材料进行热电性能测试,结果表明:所有的Mg_2Si基热电材料试样的电导率均随温度的升高而升高,这表明Mg_2Si基热电材料呈现半导体传输特性,Seebeck系数为负值,材料为n型半导体。而且随着Sn含量的增加,Mg_2Si_(1-x)Sn_x合金的Seebeck系数的绝对值和电导率增加,热导率降低60%。在500K时,Mg_2Si_(0.4)Sn_(0.6)固溶体的ZTmax为0.26,为未掺杂试样的2倍,可见Sn能极大地改善Mg_2Si的热电性能,相比较其它重金属元素, Sn可获得更高的热电性能,且资源更为丰富。因此,采用微波辅助加热合成并掺杂Sn元素形成固溶体是一种提高Mg_2Si热电材料性能的新途径。 (5)通过对微波加热合成Mg_2Si反应动力学的研究,建立了转化率与时间关系曲线,从而计算出Mg_2Si生成反应的活化能,研究结果表明:微波电磁场对扩散过程的影响主要表现在对指前因子及扩散活化能的影响,微波加热降低了Mg_2Si反应活化能,其活化能为102KJ/mol,而常规合成Mg_2Si活化能为120~190kJ/mol;合成时间较常规合成时间降低85~90%。Mg_2Si合成过程大致可分为四个阶段,其反应的动力学模型符合金斯特林格扩散反应壳—核心模型。 (6)微波电磁场作用下对Mg-Si反应体系的影响不仅表现出“热效应”,而且也存在着“非热效应”,微波对反应的促进作用主要体现在微波加热体系热点的形成,电场的取向作用及PMF效应。


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