Mn，Pd，Re，Ag和Zn掺杂Bi-Sb合金低温热电性能研究

论文摘要

本论文研究了Bi85Sb15材料在80-300 K温区的热电性能,并深入研究了Sb位掺杂对材料热电性能的影响规律,以及不同的块体烧结方法对材料热电性能的影响规律。采用机械合金化（MA）方法制备Sb位掺杂的Bi85Sb15粉末样品,对于不同的掺杂元素分别采用无压烧结、高压烧结和放电等离子烧结（SPS）制备块状样品。采用X射线衍射试验（XRD）进行了材料物相组成的分析,采用扫描电子显微镜（SEM）进行了材料微观结构的表征,并测试了材料的低温电导率、Seebeck系数及热导率,研究了其低温热电性能。采用无压烧结方法制备了Mn, Pd和Re掺杂的Bi85Sb15合金。Mn掺杂的Bi85Sb15-xMnx（x=1, 3, 5）样品电传输性能均得到提高,掺杂量为x=1的材料热导率得到降低。Bi85Sb14Mn1合金的优值系数Z在170 K时为1.68×10-3 K-1,约为同温度下未掺杂样品优值系数的两倍。Pd掺杂样品中掺杂量为x=1的材料热电性能得到提高,随着掺杂量的增加,材料热电性能反而下降。掺杂Re的样品热导率得到降低,但总体来看,其热电性能未很好改善。采用高压烧结方法制备了Ag和Zn掺杂的Bi85Sb15合金。通过SEM照片看到,高压烧结的材料致密度有所增加。Ag, Zn掺杂后材料电传输性能普遍得以提高。其中Bi85Sb14Ag1合金的功率因子在270 K时达到最大值2.99×10-3 W/m?K2,约为同温度下未掺杂样品Bi85Sb15功率因子的三倍。与同为掺杂Ag元素的无压烧结样品比较,高压烧结有利于提高材料的热电性能。采用放电等离子烧结方法（SPS）制备了Mn掺杂的Bi85Sb15合金Bi85Sb15-xMnx（x=0, 3, 4, 5）。并在实验中尝试采用不同的烧结压力,初步探索了制备工艺对材料热电性能的影响,适当的烧结压力有利于材料热电性能的改善。Mn掺杂样品电传输性能均得到提高,掺杂量为x=1的样品优值系数最高,在160K时达到1.24×10-3 K-1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 热电效应基本原理
• 1.1.1 三种热电效应
• 1.1.2 热电效应应用及优缺点
• 1.1.3 热电材料性能评价
• 1.2 热电材料研究进展
• 1.2.1 应用于高温区热电材料
• 1.2.2 应用于中温区热电材料
• 1.2.3 应用于低温区热电材料
• 1.3 Bi-Sb热电材料研究进展
• 1.4 本论文研究思路
• 第二章 实验方法
• 2.1 材料制备
• 2.1.1 原料选取与组分设计
• 2.1.2 粉体制备-机械合金化技术
• 2.1.3 块体制备
• 2.1.3.1 无压烧结
• 2.1.3.2 高压烧结
• 2.1.3.3 放电等离子烧结
• 2.2 性能表征和测试
• 2.2.1 XRD表征，SEM表征及密度测试
• 2.2.2 电导率测试
• 2.2.3 热电势测试
• 2.2.4 热导率测试
• 2.2.4.1 测试装置
• 2.2.4.2 实验方法
• 2.2.4.3 误差分析
• 第三章 无压烧结制备Bi-Sb合金及其低温热电性能研究
• 85Sb_15-xMn_x材料热电性能研究'>3.1 Bi₈₅Sb_15-xMn_x材料热电性能研究
• 3.1.1 材料制备
• 3.1.2 材料物相组成及微观结构分析
• 3.1.3 材料热电性能分析
• 85Sb_15-xPd_x材料热电性能研究'>3.2 Bi₈₅Sb_15-xPd_x材料热电性能研究
• 3.2.1 材料制备
• 3.2.2 材料物相组成及微观结构分析
• 3.2.3 材料热电性能分析
• 85Sb_15-xRe_x材料热电性能研究'>3.3 Bi₈₅Sb_15-xRe_x材料热电性能研究
• 3.3.1 材料制备
• 3.3.2 材料物相组成及微观结构分析
• 3.3.3 材料热电性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 高压烧结制备Bi-Sb合金及其低温热电性能研究
• 85Sb_15-xAg_x材料热电性能研究'>4.1 Bi₈₅Sb_15-xAg_x材料热电性能研究
• 4.1.1 材料制备
• 4.1.2 材料物相组成及微观结构分析
• 4.1.3 材料热电性能分析
• 4.1.4 与无压烧结比较
• 85Sb_15-xZn_x材料热电性能研究'>4.2 Bi₈₅Sb_15-xZn_x材料热电性能研究
• 4.2.1 材料制备
• 4.2.2 材料物相组成及微观结构分析
• 4.2.3 材料热电性能分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 SPS法制备Bi-Sb合金及其低温热电性能研究
• 85Sb_15-xMn_x材料热电性能研究'>5.1 Bi₈₅Sb_15-xMn_x材料热电性能研究
• 5.1.1 材料制备
• 5.1.2 材料物相组成及微观结构分析
• 5.1.3 材料热电性能分析
• 5.1.4 与无压烧结比较
• 5.2 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 致谢