本文關(guān)鍵詞：Si基和Ge基籠合物熱電材料的高壓制備和性能優(yōu)化　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：本論文采用高溫高壓制備技術(shù)成功制備了系列Si基和Ge基籠合物熱電材料,深入研究了合成壓力、微觀組織結(jié)構(gòu)和摻雜對該體系熱電材料電聲輸運(yùn)性質(zhì)的影響機(jī)制。主要研究成果如下:(1)在3GPa,840℃的壓力和溫度條件下,首次采用Ba(N_3)_2和Si在高溫高壓下的化學(xué)反應(yīng)成功制備出常壓方法難易制備的Ⅰ型Si基籠合物Ba_8Si_(46),發(fā)現(xiàn)其具有超導(dǎo)特性,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc=8.3K;另外,在相同的合成條件下,我們以Ba Si2和Si為初始原料,也成功制備出了Ⅰ型Si基籠合物Ba_8Si_(46)。(2)采用高溫高壓制備技術(shù)成功制備了系列Cu摻雜的Si基籠合物熱電材料Ba8Cux Si46-x(x=1,2,3,4,5)。隨著Cu摻雜量的增加,合成樣品的Seebeck系數(shù)和功率因子顯著提高。進(jìn)一步,我們在3GPa的合成壓力下成功制備了不同Ge摻雜量的系列Cu、Ge雙摻雜塊體Si基籠合物熱電材料Ba_8Cu_5Ge_(8x) Si_(41-8x)(x=0,1,2,3)。研究發(fā)現(xiàn),隨著Ge元素?fù)诫s量的增加,合成樣品的Seebeck系數(shù)大幅度提高,熱導(dǎo)率明顯降低,ZT值顯著提高。其中Ba_8Cu_5Ge_(24)Si_(17)樣品的最大Seebeck系數(shù)達(dá)到-141.2μV/K@673K,最小熱導(dǎo)率為0.91Wm~(-1)K~(-1)@573K,最大ZT值為0.42@673K。(3)研究了合成壓力對高溫高壓制備的Cu、Ge雙摻雜Si基籠合物熱電材料Ba_8Cu_5Ge_(24)Si_(17)電聲輸運(yùn)性質(zhì)的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),在5GPa的合成壓力范圍內(nèi),隨著合成壓力的升高,合成樣品的電阻率明顯降低;同時,隨著合成壓力的升高,樣品中的納米晶、位錯、晶格扭曲、黑白條紋等微觀結(jié)構(gòu)顯著增多,聲子散射增強(qiáng),熱導(dǎo)率明顯降低,5GPa壓力下合成的樣品獲得了最低熱導(dǎo)率0.76Wm~(-1)K~(-1)@573K。4GPa壓力下合成的樣品獲得最大ZT值0.55@673K。(4)在不同合成壓力(2GPa,3GPa,4GPa,5GPa)條件下成功制備出ZT值大于1的高性能n-型塊體多晶Ge基籠合物熱電材料Ba_8Ga_(16)Ge_(30)。研究發(fā)現(xiàn),高溫高壓合成的該體系樣品內(nèi)部存在多尺度的微納米結(jié)構(gòu),如納米球、局域非晶區(qū)、晶格畸變(位錯、晶格局部扭曲等),有效增強(qiáng)了聲子散射,降低了材料的熱導(dǎo)率。另外,隨著合成壓力的升高,所合成樣品的電阻率顯著降低,功率因子明顯增大。在5GPa壓力下合成的Ba_8Ga_(16)Ge_(30)樣品獲得最大ZT值1.14@773K,這比常壓下合成的同類樣品ZT值提高了大約30%。綜上研究表明,高溫高壓制備技術(shù)可成功制備出常壓方法難易制備的具有多尺度微觀組織結(jié)構(gòu)的Si基和Ge基籠合物熱電材料,并部分截獲其高溫高壓下的優(yōu)異熱電性能。
[Abstract]:In this paper, a series of Si based and Ge based clathrate thermoelectric materials prepared by technology successfully prepared by high temperature high pressure system, in-depth study of the synthesis of pressure, structure and doping microstructure lose influence mechanism of the transport properties of the system thermoelectric materials electro acoustic. The main results are as follows: (1) in 3GPa, 840 DEG C and pressure the temperature conditions, for the first time by using Ba (N_3) type Si base cage _2 and Si chemical reaction was successfully prepared under high temperature and high pressure pressure method difficult preparation of complexes of Ba_8Si_ (46), has found that the superconducting properties, the superconducting transition temperature Tc=8.3K; in addition, the synthesis conditions of the same. We use Ba Si2 and Si as the raw material, but also successfully prepared type Si based clathrates Ba_8Si_ (46). (2) to prepare a series of Cu doped Si based cage complexes Ba8Cux Si46-x thermoelectric materials were successfully prepared by high temperature high pressure system (x=1,2,3,4,5). With the increase of the concentration of Cu and synthetic samples Seebeck coefficient and power factor is improved significantly. Further, we in the synthesis of 3GPa under pressure for Cu series of different amount of Ge doped by Ge double doped Si based clathrate thermoelectric materials Ba_8Cu_5Ge_ (8x) Si_ (41-8x) (x=0,1,2,3). The study found that with the increase of Ge element doping amount Seebeck, greatly improve the coefficient of synthetic samples, the thermal conductivity decreased significantly, ZT increased significantly. The Ba_8Cu_5Ge_ (24) Si_ (17) Seebeck coefficients of the samples reached -141.2 mu V/K@673K, the minimum thermal conductivity is 0.91Wm~ (-1) K~ (-1) @573K, the maximum ZT value of 0.42@673K. (3) studied the synthesis the pressure of high temperature and high pressure produced by Cu, Ge double doped Si based clathrate thermoelectric materials Ba_8Cu_5Ge_ (24) Si_ (17). The influence mechanism of the transport properties of electro acoustic. The study found that in the synthesis of 5GPa pressure range, with the increase of synthesis pressure, the resistivity of synthetic samples decreased significantly; at the same time, with the Increased synthesis pressure, nanocrystalline, samples of dislocations, lattice distortion, black and white striped microstructure significantly increased, enhanced phonon scattering, thermal conductivity decreased, samples synthesized under the pressure of 5GPa for the low conductivity of 0.76Wm~ (-1) K~ (-1) @573K.4GPa samples synthesized under pressure to obtain the maximum value of ZT 0.55@673K. (4) under different synthesis pressure (2GPa, 3GPa, 4GPa, 5GPa) under the conditions of preparation of high performance ZT value is greater than 1 n- of bulk polycrystalline Ge based clathrate thermoelectric materials Ba_8Ga_ (16) Ge_ (30). The study found that micro nano structure has multi scale internal high pressure synthesis the system samples, such as nanoparticles, localized amorphous region, lattice distortion (dislocations, lattice distortion, local) effectively enhance the phonon scattering, reducing thermal conductivity. In addition, with the increase of synthesis pressure, the resistivity of the samples decreased significantly, the power factor is increased obviously. Under the pressure of 5GPa synthesis of Ba_8Ga_ (16) Ge_ (30) ZT samples to obtain the maximum value of 1.14@773K, the synthesis of similar samples than under normal pressure and ZT value increased by about 30%. in conclusion, high temperature and high pressure preparation technology can be successfully prepared by atmospheric pressure method easily prepared with multi-scale micro structure Si based and Ge based clathrate thermoelectric materials, and excellent thermoelectric properties to intercept the part under high temperature and pressure.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB34

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本文編號：1374472