高錳硅熱電材料合成制備技術(shù)及其熱電性能研究.pdf

1、熱電材料作為可以將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的新能源材料,近年來引起研究者的廣泛關(guān)注。高錳硅(HMS)熱電材料作為一種3d過渡金屬硅化物,具有高的Seebeck系數(shù)和低的熱導(dǎo)率,因而具有潛在的高熱電性能;同時(shí),由于原料資源豐富,環(huán)境友好,熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性良好,高錳硅熱電材料已成為一種具有重要開發(fā)和應(yīng)用潛力的P型熱電材料。但是,傳統(tǒng)的高錳硅化合物的制備方法存在制備周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜且能耗較高等問題,這些都極大地制約了高錳硅化合物的大規(guī)模生產(chǎn)及商

2、業(yè)化應(yīng)用。本論文分別探索了固相反應(yīng)法、SPS一步反應(yīng)燒結(jié)兩種快速制備高錳硅化合物的新方法。系統(tǒng)研究了反應(yīng)工藝條件對(duì)產(chǎn)物相組成、微觀結(jié)構(gòu)、熱電性能的影響規(guī)律,并采用發(fā)展的快速制備新方法,研究了Ge摻雜及SiC納米第二相復(fù)合對(duì)高錳硅化合物熱電性能的影響規(guī)律,主要工作和結(jié)果如下:
　　 首次采用固相反應(yīng)法在較低溫度、較短時(shí)間內(nèi)制備出單相高錳硅化合物。當(dāng)Mn∶Si=1∶1.80時(shí),850℃下固相反應(yīng)6 h即可得到單相高錳硅化合物粉體,固

3、相反應(yīng)溫度的升高、時(shí)間的延長(zhǎng)并不影響高錳硅化合物的形成。固相反應(yīng)法制備的高錳硅單相粉體在950℃下SPS燒結(jié)15 min后仍為HMS單相,并且樣品結(jié)構(gòu)致密、成分均勻。固相反應(yīng)結(jié)合SPS燒結(jié)制備的塊體高錳硅熱電化合物具有較好的熱電性能,其ZT值在800 K時(shí)達(dá)到最大0.42。前期可獲得單相HMS化合物的固相反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)SPS后產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)及熱電性能沒有明顯影響。
　　 為簡(jiǎn)化制各工藝,節(jié)約能耗,進(jìn)行單質(zhì)粉體簡(jiǎn)單混合后直接進(jìn)行S

4、PS一步反應(yīng)燒結(jié)制備高錳硅化合物的研究。結(jié)果表明,將單質(zhì)元素Mn粉與Si粉在高能球磨機(jī)中球磨1 h進(jìn)行簡(jiǎn)單混合后,混合粉體在950℃、5 min的條件下SPS一步反應(yīng)燒結(jié)得到了單相致密的高錳硅塊體材料,大大縮短了高錳硅塊體材料的制各時(shí)間。采用SPS技術(shù),在950℃,5 min條件下一步反應(yīng)燒結(jié)制備出Ge摻雜的單相致密Mn(GexSi1-x)1.80(x=0～3.5％)塊體材料;當(dāng)Ge摻雜量為x=3.0%時(shí),Mn((Ge0.03Si0.9

5、7)1.80化合物在900 K得到的最大熱電優(yōu)值ZT值達(dá)0.54,比未摻雜樣品的ZT值提高了約40%。
　　 采用固相反應(yīng)結(jié)合SPS燒結(jié),通過非原位方法在高錳硅化合物中引入了SiC納米顆粒第二相,制備了SiC/HMS復(fù)合材料。結(jié)果表明,將Mn粉、Si粉和SiC納米顆粒在高能球磨機(jī)中球磨1 h后,混合粉體在850℃下固相反應(yīng)6 h,固相反應(yīng)粉體在950℃下SPS燒結(jié)15 min制備出SiC復(fù)合的單相致密MnSi1.82(SiC)x