Bi-Te-Se熱電材料的制備和性能優(yōu)化.pdf

1、熱電材料能實(shí)現(xiàn)電能和熱能之間的直接轉(zhuǎn)換,被廣泛應(yīng)用于熱電制冷和發(fā)電。Bi2Te3基熱電材料具有較高的電性能和較低的熱導(dǎo)率,是室溫附近熱電性能最好的熱電材料。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的Bi2Te3基材料是區(qū)熔法制備的取向多晶材料,機(jī)械性能差,易解理,生產(chǎn)成本較高。本文采用了快速凝固和熱鍛兩種工藝制備高性能的N型多晶Bi2Te3基熱電材料。
　　 除了細(xì)化晶粒,快速凝固還可以通過(guò)抑制包晶反應(yīng)的進(jìn)行來(lái)使Bi2Te3熔體在冷卻過(guò)程中避免產(chǎn)生BiT

2、e和Bi2Te等非連續(xù)固溶相,從而可以使材料保持物相的均一性。本文首先將熔煉得到的鑄錠粉碎后熱壓燒結(jié)制備了Bi2Te2.4Se0.6多晶塊體材料。相對(duì)利用爐冷鑄錠制備的樣品,利用液氮快淬鑄錠制備的樣品的熱導(dǎo)率大為降低,其晶格熱導(dǎo)率在測(cè)試溫度范圍內(nèi)保持在0.42～0.51 Wm-1K-1之間,最大ZT值為0.87,較利用爐冷鑄錠制備的樣品提高了26％。然后采用液氮快淬和甩帶兩種快速凝固工藝結(jié)合熱壓燒結(jié)的方法制備了Bi2Te3-xSex(x

3、=0-1.05)合金,熱電性能測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率對(duì)由組分變化引起的合金散射更敏感。斷面照片顯示樣品的顆粒尺寸小于3μm,利用液氮快淬結(jié)合熱壓燒結(jié)制備的Bi2Te2.1Se0.9合金和甩帶結(jié)合熱壓燒結(jié)制備的Bi2Te2.25Se0.75合金的熱電優(yōu)值均達(dá)到了0.95。
　　 Bi2Te3基熱電材料的熱電性能既受晶粒大小的影響,也受微觀晶粒取向程度即織構(gòu)強(qiáng)弱的影響。本文分別了制備了直徑為12.7 mm、厚度為1～2 mm的熱壓和熱鍛

4、塊體樣品,分析了其微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的變化關(guān)系。XRD圖譜顯示熱鍛樣品的(00l)面較熱壓樣品峰強(qiáng)顯著增強(qiáng),二次熱鍛樣品的取向因子高達(dá)0.52,而熱壓樣品和一次熱鍛樣品的取向因子分別為0.18和0.31。斷面FESEM照片顯示熱二次鍛樣品的顆粒取向后成明顯的層狀排列,這與XRD結(jié)果一致。變形過(guò)程中產(chǎn)生的空位和反位缺陷之間的缺陷反應(yīng)使載流子濃度顯著增加,載流子遷移率也有所增加,使得熱鍛樣品的電導(dǎo)率大幅度提高。
　　 為了研究熱鍛樣

5、品熱電性能的各向異性,利用放電等離子體燒結(jié)工藝熱鍛制備了Φ30x10 mm3的大塊樣品。XRD圖譜顯示從徑向平面得到的(00l)峰的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于軸向平面,結(jié)合斷面照片可知材料熱鍛后形成了局部的擇優(yōu)取向,這將對(duì)材料熱電性能的各向異性產(chǎn)生重要影響。熱電性能測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)徑向的最大刀值達(dá)到了0.90,不但遠(yuǎn)高于軸向測(cè)得的數(shù)據(jù),也優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的區(qū)熔材料的熱電性能。
　　 此外,本文還利用在實(shí)驗(yàn)制備的Φ30×10 mm3的大塊樣品代替區(qū)熔材料