赝三元机械合金化掺Er热电材料的制备与性能研究

论文摘要

热电材料又称温差电材料,它能够实现电能和热能的直接转换,Bi2Te3基赝三元热电材料是室温下热电性能最好的热电材料之一,在室温致冷领域得到广泛应用。本文在国内外热电材料研究发展的基础上,采用机械合金化法制备了n型赝三元掺Er合金粉体材料。在此基础上采用热压法和冷压烧结法制备了赝三元掺Er合金块体材料,并通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和分析了赝三元机械合金化掺Er合金粉体和压制烧结材料的微观结构,通过测试块体材料的热电性能研究了Er掺杂浓度和制备工艺参数对材料热电性能的影响,对n型Bi2Te3基赝三元机械合金化掺Er热电性能的改进和提高进行了有益的探索。此外,为了探索Bi2Te3基热电材料新的制备方法,采用金属型定向凝固工艺制备了n型Bi2Te3基赝三元多晶材料,通过扫描电镜（SEM）和电学性能的测试分析了材料的微观结构和电学性能,研究表明金属型定向凝固方法对材料的性能有一定的改善。本文将高纯度元素Bi、Sb、Te和Se（纯度≥99.99%）按n型赝三元材料的化学计量比与不同浓度的稀土Er混合,采用机械合金化方法成功制备了n型赝三元机械合金化掺Er粉体材料。XRD分析表明,单质元素Bi、Sb、Te、Se和稀土Er在以石油醚为球磨介质经100h球磨后实现了合金化;SEM分析表明,随着球磨的时间延长,晶体颗粒变的均匀细小,颗粒尺寸在5nm到50nm量级。使用n型赝三元机械合金化掺Er粉体材料,在不同的热压温度下采用热压方法制备了n型赝三元机械合金化掺Er热压块体材料。XRD分析表明,热压块体样品的主衍射峰峰强明显变矮,峰形变宽,d值变大,说明热压块体样品在热压过程中晶粒长大,晶体化程度加强。SEM分析表明,随着热压温度的升高,热压样品内部的空隙明显变小同时数量减少,晶粒间结合致密。热电参数分析表明,材料的热电性能与掺杂浓度、热压温度密切相关。材料的Seebeck系数随掺杂浓度的提高先增大后减小,在掺杂浓度为0.5wt%时达到最大;在热压温度为180～260℃的范围内,材料的Seebeck系数和电导率均随热压温度的升高而增大。在n型赝三元机械合金化掺Er合金粉体的基础上,采用冷压烧结法制备了n型赝三元机械合金化掺Er冷压烧结材料。热电性能测试结果表明,冷压烧结块体的热电性能与Er的掺杂浓度、烧结温度和烧结时间密切相关。发现随烧结温度的升高,材料的Seebeck系数、功率因子均表现出先增大后减小,在烧结温度450℃时,Seebeck系数、功率因子值均达到最大。而电导率随烧结温度升高表现出逐渐增大的趋势。在烧结温度为450℃,烧结时间为0.5h,随着Er含量的增加,材料的Seebeck系数随掺杂浓度增加而减小,在掺杂浓度为0.1wt%时,Seebeck系数达到最大。电导率随掺杂浓度的增大逐渐增大,Er含量为0.1wt%时具有最好的功率因子。随着烧结时间的变化,材料的Seebeck系数表现出先增大后减小的趋势,在1h时Seebeck系数最大。而电导率与功率因子均表现出先减小后增大的趋势。本文采用金属型定向凝固方法制备了n型赝三元块体多晶材料。并与区熔法制备的赝三元固溶体进行比较。研究结果表明采用金属型定向凝固方法制备N型（Bi2Te3）0.90（Sb2Te3）0.05（Sb2Se3）0.05化合物,可以大大缩短制备热电材料的时间,制备的材料的晶体生长有一定的取向,并且增加了材料的缺陷种类,如位错、晶界等,但由于微量的Fe杂质的混入,使得Seebeck系数减小,电导率增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 热电材料概述
• 1.1.1 热电技术研究的历史
• 1.1.2 热电学基本概念
• 1.2 热电参数的物理表达式
• 1.2.1 影响材料的热电性能的因素及热电优值的优化
• 1.3 热电材料的研究新进展
• 1.3.1 均质热电材料的研究进展
• 1.3.2 异质结构热电材料
• 2Te₃ 基热电材料简介及其研究现状'>1.4 Bi₂Te₃基热电材料简介及其研究现状
• 2Te₃ 系热电材料化学组成和晶体结构'>1.4.1 Bi₂Te₃系热电材料化学组成和晶体结构
• 1.5 本论文的主要研究目的和内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 实验流程
• 2.2 赝三元机械合金化合金粉体热压块体的制备
• 2.2.1 掺Er 的赝三元粉体材料的制备
• 2.2.2 赝三元机械合金化热压块体及冷压烧结块体的制备
• 2Te₃ 基n 型赝三元晶体'>2.2.3 金属型定向凝固工艺制备Bi₂Te₃ 基n 型赝三元晶体
• 2.3 热电性能的测试与装置
• 2.3.1 电导率的测量
• 2.3.2 Seebeck 系数的测量
• 2.3.3 霍尔系数的测量
• 2.3.4 XRD 和SEM 测量
• 2Te₃基赝三元掺Er 热压样品的制备及热电性能研究'>第3章 Bi₂Te₃基赝三元掺Er 热压样品的制备及热电性能研究
• 3.1 赝三元机械合金化掺Er 合金粉体微观结构分析
• 3.2 压制烧结对赝三元材料微观组织的影响
• 3.3 掺杂浓度及压制时间对赝三元热电材料电学性能的影响
• 3.3.1 热压温度对热压块体载流子浓度的影响
• 3.3.2 稀土Er 不同浓度掺杂对赝三元热压块体的Seebeck 系数的影响
• 3.3.3 压制烧结温度对赝三元热压块体Seebeck 系数的影响
• 3.3.4 压制烧结温度对赝三元热压块体电导率的影响
• 3.4 结论
• 第4章 n 型赝三元机械合金化掺Er 冷压烧结材料的制备与电学性能研究
• 4.1 赝三元冷压烧结块体微观结构分析
• 4.2 热电性能分析
• 4.2.1 稀土Er 掺杂浓度对电学性能的影响
• 4.2.2 冷压块体的烧结温度对电学性能的影响
• 4.2.3 冷压块体的烧结时间对电学性能的影响
• 4.3 结论
• 2Te₃基n 型赝三元定向凝固热电材料的制备与热电性能研究'>第5章 Bi₂Te₃基n 型赝三元定向凝固热电材料的制备与热电性能研究
• 5.1 材料的微观结构分析
• 5.2 金属定向凝固对材料的热电性能的影响
• 5.3 Fe 杂质对材料热电性能的影响
• 5.4 结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢