電場(chǎng)對(duì)Bi-Sb-Te和Mg-Si-Sn熱電材料微觀結(jié)構(gòu)及其性能的影響.pdf

1、當(dāng)前，世界范圍內(nèi)的煤炭、石油、天然氣等不可再生能源面臨枯竭，環(huán)境污染問題日益凸顯，威脅著人類的生存和發(fā)展。因而，新型清潔能源成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)，我國(guó)亦在“十二五規(guī)劃”中將新能源的開發(fā)確立為國(guó)家戰(zhàn)略。在此背景下，熱電材料和高效熱電發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)受到了各界的廣泛關(guān)注和重視。
　　 熱電材料是一種通過載流子(電子或空穴)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電能和熱能直接相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料。熱電器件具有尺寸小、重量輕、便于攜帶、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、無噪

2、聲、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)余廢熱的回收利用，空間特殊電源，微電子及制冷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 電場(chǎng)激活壓力輔助燒結(jié)技術(shù)是一種在電場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)粉末燒結(jié)快速致密化的燒結(jié)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱電材料的制備過程，并有實(shí)驗(yàn)表明采用電場(chǎng)輔助燒結(jié)技術(shù)可獲得相比傳統(tǒng)燒結(jié)方法更好的熱電性能。但采用電場(chǎng)輔助熱電材料的制備過程中的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)及其對(duì)材料熱電性能的影響還有待探究。從多場(chǎng)耦合角度來看，電場(chǎng)激活壓力輔助燒結(jié)過程中，

3、各場(chǎng)間交互作用顯著，要單獨(dú)討論某一種場(chǎng)的作用是極其困難的。
　　 本文采用電場(chǎng)激活壓力輔助燒結(jié)技術(shù)制備Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Si0.8Sn0.2熱電材料，并對(duì)其工藝過程進(jìn)行改進(jìn)。通過設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)合有限元分析，分析不同燒結(jié)工藝過程中的電場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，探究電場(chǎng)對(duì)Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Si0.8Sn0.2熱電材料微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響。
　　 采用電場(chǎng)輔助燒結(jié)可顯著提高試樣的致密度，電場(chǎng)強(qiáng)度越大

4、，致密度增加越大。采用大電場(chǎng)強(qiáng)度燒結(jié)Bi1.2Sb4.8Te9材料時(shí)，試樣晶粒出現(xiàn)擇優(yōu)取向。而對(duì)于Mg2Si0.8Sn0.2熱電材料，采用電場(chǎng)輔助燒結(jié)可促進(jìn)固溶體的形成；另外，在平行電流方向的軸向截面上觀察到有特定走向的河流狀花樣。Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Si0.8Sn0.2試樣的微觀形貌說明在燒結(jié)過程中施加電場(chǎng)可在沿電流方向促進(jìn)物質(zhì)的擴(kuò)散。
　　 熱電性能測(cè)試結(jié)果表明，在兩種熱電材料的燒結(jié)過程中施加電場(chǎng)均有助于提高其

5、電學(xué)性能。電場(chǎng)輔助燒結(jié)可提高Bi1.2Sb4.8Te9熱電材料的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)，從而提高其電綜合性能；采用大的電場(chǎng)強(qiáng)度燒結(jié)可在提高其電綜合性能的同時(shí)，明顯降低熱導(dǎo)率，從而獲得最優(yōu)zT值。不采用電場(chǎng)、采用低電場(chǎng)強(qiáng)度、采用高電場(chǎng)強(qiáng)度的三組試樣的最大熱電優(yōu)值分別為0.46、0.48和0.57。而對(duì)于Mg2Si0.8Sn0.2熱電材料，在燒結(jié)過程中施加電場(chǎng)可顯著提高其電導(dǎo)率，但對(duì)提高其Seebeck系數(shù)并無顯著效果。由于顯著提高的電