區(qū)熔定向凝固Bi23In17Te60合金組織與熱電性能.pdf

1、熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)電能與熱能之間的相互轉(zhuǎn)換，可以有效利用廢棄熱量如汽車(chē)尾氣廢熱、工業(yè)廢熱等進(jìn)行發(fā)電，對(duì)解決能源與環(huán)境問(wèn)題起到十分重要的作用。目前，熱電材料ZT值較低，使得其器件工作效率太低，嚴(yán)重制約其工業(yè)應(yīng)用。通過(guò)納米結(jié)構(gòu)化，產(chǎn)生量子效應(yīng)，有望進(jìn)一步提高熱電材料ZT值。本文選擇具有各向異性的Bi40-xInxTe60典型共晶型合金，通過(guò)區(qū)熔定向凝固結(jié)合共晶反應(yīng)制備了具有最優(yōu)熱電性能取向的全共晶組織，引入大量?jī)上嘟缑妫⒔Y(jié)合固態(tài)相變，使基體

2、相中析出大量納米結(jié)構(gòu)相，形成具有最優(yōu)性能取向的合金組織上分布大量納米結(jié)構(gòu)相的組織形態(tài)。
　　對(duì)Bi23In17Te60合金分別在3μm/s、5μm/s和10μm/s三種抽拉速度下進(jìn)行區(qū)熔定向凝固實(shí)驗(yàn)，得到了全層片的共晶組織。隨生長(zhǎng)速度的增加，熱溶質(zhì)對(duì)流對(duì)合金組織的影響逐漸增強(qiáng)，當(dāng)抽拉速度為10μm/s時(shí)，組織中出現(xiàn)了大量的雜晶；而抽拉速度為3μm/s時(shí)，雜晶形核得到了消除，沿?zé)崃髌叫蟹较虻墓采L(zhǎng)十分顯著。當(dāng)抽拉速度從10μm/s

3、減小至3μm/s時(shí)，平均層片間距和In2Te3相平均厚度逐漸增加，分別由1.41μm和0.68μm增加至2.42μm和1.40μm。
　　對(duì)區(qū)熔定向凝固Bi23In17Te60合金在673 K進(jìn)行72h、168h和240h熱處理實(shí)驗(yàn)，析出相In2Te3總是呈片狀從基體相Bi2Te3中析出，且兩相的位相關(guān)系與原始共晶兩相的位相關(guān)系保持一致；當(dāng)熱處理時(shí)間為168h時(shí)，基體相Bi2Te3中析出大量納米尺寸的In2Te3相，平均相間距及相

4、厚度分別為52nm與31nm；繼續(xù)增加熱處理時(shí)間至240h，納米結(jié)構(gòu)相粗化過(guò)程十分緩慢，平均相間距及相厚度分別增加至77nm與43nm。研究中還發(fā)現(xiàn)Bi2Te3相的粗細(xì)對(duì)In2Te3相的析出沒(méi)有影響。
　　大量In的摻入改變了合金組織內(nèi)部的缺陷類(lèi)型及濃度，使Bi23In17Te60合金為n型傳導(dǎo)。經(jīng)過(guò)區(qū)熔定向凝固，Bi23In17Te60合金的電學(xué)性能得到提高，當(dāng)抽拉速度為3μm/s時(shí)，合金得到最大功率因子1.1×10-4w·m-