ZrNiSn基half-Heusler化合物及其納米復(fù)合材料的制備和熱電性能研究.pdf

1、熱電發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)。熱電轉(zhuǎn)換效率主要取決于材料的無量綱性能指數(shù)ZT=S2σT/κ。高性能熱電半導(dǎo)體材料要求具有良好的電傳輸性能和低的熱導(dǎo)率。ZrNiSn基half-Heusler化合物是近幾年涌現(xiàn)的新型熱電發(fā)電材料之一。本論文從優(yōu)化電傳輸性能和熱傳輸性能的角度出發(fā)，采用固相反應(yīng)和放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)技術(shù)制備了ZrNiSn基half

2、-Heusler化合物及其納米復(fù)合材料，研究了摻雜、等電子合金和納米復(fù)合對(duì)材料熱電性能的影響。研究表明：純ZrNiSn化合物是窄禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度為0.1eV，在600K～900K溫度范圍內(nèi)的塞貝克系數(shù)為180～200μV/K，室溫電阻率為2×10-5Ωm，該值隨溫度的升高而下降，室溫下的熱導(dǎo)率為12W/mK，其中主要是晶格熱導(dǎo)率，900K下熱導(dǎo)率降至6.5W/mK，是一種有前途的n型中溫?zé)犭姲l(fā)電材料。Sn位的Bi摻雜可以

3、提高載流子濃度，優(yōu)化材料的電傳輸性能。Zr、Ni和Sn三個(gè)結(jié)晶學(xué)位置分別采用Hf、Pd和Ge進(jìn)行等電子合金，可以顯著降低材料的晶格熱導(dǎo)率。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的對(duì)照說明：Zr位的Hf合金化作用只有質(zhì)量漲落，而Ni位的Pd合金化作用則既有質(zhì)量漲落，也有應(yīng)變場漲落，以應(yīng)變場漲落占優(yōu)。摻雜等電子合金Zr0.5Hf0.5Ni0.8Pd0.2Sn0.99Sb0.01化合物室溫?zé)釋?dǎo)率為4.5W/mK，800K下的ZT值為0.56，是

4、所有單相ZrNiSn基half-Heusler化合物中最高值。納米顆粒聲子散射中心的理論分析表明：在ZrNiSn基half-Heusler化合物中，通過引入4～20nm的顆?？梢蕴峁└郊拥穆曌由⑸渲行模黠@地降低材料的晶格熱導(dǎo)率。納米顆粒聲子散射效應(yīng)與納米相的體積分?jǐn)?shù)、大小和溫度的高低有關(guān)，與納米顆粒的種類無關(guān)。晶格熱導(dǎo)率的下降幅度隨顆粒度的減小，含量的增加和溫度的降低而增加。隨著納米相尺寸的增加，其體積分?jǐn)?shù)有一最佳值。復(fù)

5、合材料中的納米顆粒必須是熱穩(wěn)定、電絕緣和化學(xué)惰性的，分散相不能與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。大小為20nm含量為6Vol.％的ZrO2納米顆粒與純ZrNiSn復(fù)合可以使得晶格熱導(dǎo)率降低約35％。顯微結(jié)構(gòu)分析表明晶格熱導(dǎo)率的下降機(jī)制除了納米顆粒散射之外，還有納米間隙散射。該納米復(fù)合材料的ZT值在600～900K范圍內(nèi)提高了約15％。ZrNiSn-3～4Vol.％γ-Al2O3(20nm)納米復(fù)合材料由于功率因子的提高和熱導(dǎo)率的下降，ZT值

6、在600K～900K可以提高約45％。Zr0.5Hf0.5Ni0.8Pd0.2Sn0.99Sb0.01-6～9Vol.％ZrO2納米復(fù)合材料中，晶格熱導(dǎo)率下降15～30％。位于晶界上的ZrO2納米顆粒由于具有大量的缺陷使得復(fù)合材料中存在晶界勢壘，導(dǎo)致復(fù)合材料的塞貝克系數(shù)有一定程度的上升，改善了復(fù)合材料的電傳輸性能。由于電傳輸性能和熱傳輸性能同時(shí)得到優(yōu)化，Zr0.5H0.5Ni0.8Pd0.2Sn0.99Sb0.01-9Vol.