碳化硅基熱電材料的制備及性能研究.pdf

1、熱電材料是一種能將熱能和電能進行相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料,在熱電發(fā)電和熱電制冷方面具有很高的應(yīng)用價值。SiC作為第三代半導(dǎo)體的核心材料之一,具有化學(xué)穩(wěn)定性高、硬度高、抗高溫氧化性等諸多優(yōu)點,成為一種潛力巨大的高溫型熱電材料。
　　 本文以SiC基熱電材料為研究對象,分別采用機械球磨法、溶膠凝膠法和包裹法制備復(fù)合粉體,結(jié)合常壓燒結(jié)和熱壓反應(yīng)燒結(jié)制備出SiC基塊體復(fù)合材料。采用XRD、SEM和DTA-TG等手段對樣品的物相組成、顯微結(jié)

2、構(gòu)、熱物理化學(xué)行為變化等進行了研究,測試了樣品的密度、吸水率、硬度等物理性能,利用自行設(shè)計的測試裝置對樣品的Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率進行了測試,測試溫度為100-600℃,計算出功率因子,對材料的熱電性能進行了分析。取得了以下成果:
　　 (1)以Ni粉作為摻雜劑,Al2O3和Y2O3作為燒結(jié)助劑,利用機械球磨法與SiC納米粉體混合,經(jīng)干壓成型后,通過常壓燒結(jié)在1500℃下成功制備出n型半導(dǎo)體的樣品。隨著Ni摻雜量的增加,樣品

3、的密度和硬度增加,電導(dǎo)率增大,Seebeck系數(shù)減小。隨測試溫度的升高,電導(dǎo)率一直增大,Seebeck系數(shù)先升后降。樣品中,未摻雜Ni的樣品在500℃測試溫度下具有最大的功率因子,為0.02×1-6Wm-1K-2。
　　 (2)以正硅酸乙酯為原料,采用溶膠-凝膠法在B4C顆粒表面包裹SiO2,同時加入蔗糖,然后通過熱壓反應(yīng)燒結(jié)在1500℃和1600℃下成功制備出SiC-B4C塊體復(fù)合材料。反應(yīng)生成的SiC在結(jié)構(gòu)中形成連續(xù)相,制備

4、的樣品呈現(xiàn)n型半導(dǎo)體特征。燒結(jié)溫度增高,板條狀SiC晶粒數(shù)量增加并形成連通的密集網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨B4C添加量的增加,密度先升后降,硬度一直增加。當測試溫度高于400℃時,由于載流子濃度和遷移率的變化,電導(dǎo)率先降后升,Seebeck系數(shù)先升后降。B4C含量為50wt.％,燒結(jié)溫度為1600℃的樣品硬度值達到28.13 GPa。B4C含量為30wt.％,燒結(jié)溫度為1600℃的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊,致密度高,晶粒間連通性好,使材料的熱電性能得到提

5、高,在440℃測試溫度下,功率因子最大值達到3.84×10-4Wm-1K-2。
　　 (3)利用液相包裹技術(shù)使聚乙烯醇充分包裹在B4C上,煅燒后加入Si粉,然后通過熱壓反應(yīng)燒結(jié)在1400℃下成功制備出SiC-B4C塊體復(fù)合材料。反應(yīng)生成的SiC相以細小彌散顆粒狀分散在B4C顆粒的間隙處,較大的B4C顆粒構(gòu)成連續(xù)相,制備的樣品呈現(xiàn)p型半導(dǎo)體特征。隨B4C添加量的增加,密度先升后降,硬度逐漸增加。測試溫度升高,Seebeck系數(shù)先升