Mg2Si基熱電材料的微波合成機理及熱電性能研究.pdf

1、熱電材料是將熱能和電能實現(xiàn)直接相互轉換的一種功能材料，可用熱電材料制成熱電器件實現(xiàn)溫差發(fā)電，從而充分利用工業(yè)上的廢氣和廢熱；也可用熱電材料制成制冷機在一些特殊環(huán)境中替代傳統(tǒng)的制冷設備。熱電器件具有污染小、噪聲低、重量輕、體積小、攜帶方便、可靠性高等優(yōu)點，因此關于熱電材料的研究與應用具有廣闊前景。Mg2Si是一種應用于500K-800K溫度區(qū)間的性能優(yōu)良的熱電材料，其組成元素具有原料豐富、價格低廉、環(huán)境友好等特點，但鎂化學活性高，容易氧化

2、，導致Mg2Si金屬化合物的制備比較困難，因此Mg2Si基熱電材料的制備已成為研究重點之一。本論文采用微波加熱合成技術，實現(xiàn)了Mg2Si基熱電材料的快速合成與產(chǎn)品致密化。微波加熱合成法是利用微波與物質(zhì)之間的相互作用產(chǎn)生的介質(zhì)損耗、電導損耗和磁損耗，在物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生熱量，使材料被整體加熱至反應溫度從而實現(xiàn)相關的化學反應的一種新型材料合成方法，該方法具有體積加熱、選擇性加熱、非熱效應等特點。論文從理論和實驗方面探索微波加熱金屬粉體的加熱特性及

3、發(fā)熱機理，并以Mg2Si微波合成實驗為基礎，研究了微波固相合成Mg2Si反應的動力學及機制，同時研究了微波合成Mg2Si和Mg2Si1-xSn熱電材料的工藝、熱電性能、物相結構的特點。通過實驗研究工作，本論文得到如下主要研究結論：
　　(1) Mg2Si基半導體材料在微波加熱過程中，加熱機理低溫時主要以介電損耗為主，高溫時主要以電導損耗加熱為主。
　　(2) Mg2Si壓坯在微波場中的加熱升溫特性與Mg2Si壓坯密度、元素組

4、成和微波輸出功率有關：壓坯密度越小，加熱速率越快，最終所能加熱的溫度也越高，但Mg2Si壓坯在微波場中最終所能達到的最高溫度與Mg2Si壓坯初始密度無關；微波輸出功率越大，Mg2Si壓坯加熱速度越快；隨Sn含量增加，Mg2Si1-xSnx壓坯加熱速度降低，Mg2Si壓坯的加熱速度較Mg2Sn壓坯快。
　　(3)采用微波輔助加熱，制備了Sn摻雜的Mg2Si1-xSnx(x=0、0.2、0.4、0.6、0.8)熱電材料，并應用X-射線

5、分析儀(XRD)、電子顯微鏡和掃描電鏡（帶能譜分析）分析了試樣的物相組成、結構形貌。分析結果表明：采用合適的微波加熱工藝制度可以有效抑制Mg氧化；合適的Mg過量可以補償Mg的揮發(fā)；當Mg過量8at％、微波加熱功率在2.5Kw(853K)條件下保溫30min時，可以得到純度較高的Mg2Si熱電材料。同時XRD分析表明：在微波輻射下Mg2Si1-xSnx形成了良好的固溶體并原位形成Mg2(Si，Sn)結構的復合材料，該方法具有反應溫度低，合

6、成速度快等優(yōu)點。
　　(4)通過對Mg2Si基熱電材料進行熱電性能測試，結果表明：所有的Mg2Si基熱電材料試樣的電導率均隨溫度的升高而升高，這表明Mg2Si基熱電材料呈現(xiàn)半導體傳輸特性，Seebeck系數(shù)為負值，材料為n型半導體。而且隨著Sn含量的增加，Mg2Si1-xSnx合金的Seebeck系數(shù)的絕對值和電導率增加，熱導率降低60％。在500K時，Mg2Si0.4Sn0.6固溶體的ZTmax為0.26，為未摻雜試樣的2倍，可

7、見Sn能極大地改善Mg2Si的熱電性能，相比較其它重金屬元素，Sn可獲得更高的熱電性能，且資源更為豐富。因此，采用微波輔助加熱合成并摻雜Sn元素形成固溶體是一種提高Mg2Si熱電材料性能的新途徑。
　　(5)通過對微波加熱合成Mg2Si反應動力學的研究，建立了轉化率與時間關系曲線，從而計算出Mg2Si生成反應的活化能，研究結果表明：微波電磁場對擴散過程的影響主要表現(xiàn)在對指前因子及擴散活化能的影響，微波加熱降低了Mg2Si反應活化能