熔體旋甩法制備Zn-,4-Sb-,3-的微結(jié)構(gòu)和熱電性能研究.pdf

1、Zn4Sb3因其較低的熱導(dǎo)率因而具有優(yōu)越的熱電性能，是目前中溫領(lǐng)域熱電性能最好的材料之一。但由于Zn4Sb3體系本身的材料脆性和相轉(zhuǎn)變引起的微裂紋，降低了材料的機(jī)械性能和可加工性。因此探索新的制備工藝，制備出熱電性能和機(jī)械性能優(yōu)異的塊體材料是Zn4Sb3體系的研究熱點(diǎn)之一。 本文用熔體旋甩法結(jié)合放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備出致密無(wú)裂紋具有納米結(jié)構(gòu)的Zn4Sb3塊體材料。采用X射線衍射儀(XRD)和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)

2、對(duì)熔體旋甩薄帶、退火薄帶、SPS燒結(jié)塊體的物相和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和表征，測(cè)試了塊體材料的熱電傳輸性能和力學(xué)性能，研究了塊體材料的物相組成、微結(jié)構(gòu)和材料熱電傳輸性能以及力學(xué)性能之間的關(guān)系和規(guī)律，得到以下結(jié)論： ZmSb3單相母合金熔體旋甩后發(fā)生了分相，薄帶主相為Zn4Sb3、第二相為ZnSb，并含有少量的Zn和Zn3Sb2。在200℃退火30min條件下，薄帶中的第二相ZnSb、Zn3Sb2、Zn能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成單相Zn4Sb

3、3薄帶。溫度為400℃，壓力為30MPa條件下SPS燒結(jié)5min能夠得到致密的塊體材料。 熔體旋甩過程中冷卻速率的差異導(dǎo)致了薄帶自由面和接觸面的微結(jié)構(gòu)顯著不同，自由面由尺寸在微米級(jí)的Zn4Sb3棒狀晶和富Zn合金顆粒組成，接觸面由晶界清晰晶粒尺寸在50nm-150nm之間的納米顆粒組成。隨著退火溫度的升高，薄帶自由面的富Zn合金顆粒發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)而溶入棒狀晶中；薄帶接觸面退火后晶粒尺寸變小，晶粒界面模糊，退火溫度升高至300℃以上

4、時(shí)，晶粒開始發(fā)生團(tuán)聚長(zhǎng)大。MS-SPS燒結(jié)工藝制備的Zn4Sb3材料斷面形貌為大晶粒和納米晶粒交錯(cuò)分布，在大晶粒間界處存在大量的納米晶粒富集區(qū)域。 初始化學(xué)組成為Zn4.32Sb3時(shí)，MS-SPS燒結(jié)樣品與熔融樣品相比，電導(dǎo)率降低，Seebeck系數(shù)增大，熱導(dǎo)率降低；Cu輥轉(zhuǎn)速為2000rpm，噴氣壓力為0.02MPa的熔體旋甩薄帶SPS燒結(jié)后，在700K具有最大的刀值0.96，比初始化學(xué)組成為Zn4Sb3的熔融樣品提高了30％