熱電材料作為一種綠色環(huán)保的功能材料,可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接固態(tài)轉(zhuǎn)換,在發(fā)電和余熱回收方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。Half-Heusler合金以其具有較優(yōu)異的電學(xué)性能、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性以及各組成元素環(huán)保無(wú)毒、豐度大等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為新興的中高溫區(qū)熱電材料。本文通過(guò)微波合成結(jié)合微波燒結(jié)的工藝制備了TiNiSn基熱電材料,并進(jìn)一步探索了不同微波燒結(jié)時(shí)間對(duì)TiNiSn塊體材料的相組成、微觀組織及熱電性能的影響。利用冷壓-微波合成-球磨-二次溫壓-微波燒結(jié)的工藝過(guò)程快速制備獲取Bi、Te在Sn位摻雜的TiNiSn基塊體熱電材料。通過(guò)XRD、EDS對(duì)所獲得的熱電材料進(jìn)行物相成分分析,利用SEM等進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的形貌及尺寸分析,并結(jié)合Seebeek系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等熱電輸運(yùn)參數(shù)對(duì)塊狀熱電材料進(jìn)行熱電性能的綜合評(píng)定。最后對(duì)比研究了微波燒結(jié)時(shí)間及Bi、Te摻雜量對(duì)TiNiSn基塊體的微觀組織及熱電性能的影響。通過(guò)該方法成功制備出高致密度、組織均勻的單相TiNiSn基Half-Heusler高溫?zé)犭姴牧?制備時(shí)間大大縮短。研究了Sn位不同摻雜量的Bi（x=0.001、0.003、0.005、0.01、0.02... 

【文章來(lái)源】：濟(jì)南大學(xué)山東省

【文章頁(yè)數(shù)】：88 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

三大熱電效應(yīng)示意圖：(a)塞貝克效應(yīng)；(b)帕爾貼效應(yīng)；(c)湯姆遜效應(yīng)

TiNiSn(Bi,Te)Half-Heusler熱電材料的微波制備及熱電性能研究6圖1.2(a)溫差發(fā)電機(jī)；(b)溫差制冷機(jī)；(c)溫差器件組成示意圖作為衡量器件好壞的重要標(biāo)桿，提升熱電器件的轉(zhuǎn)換效率一直是熱電工作者共同追求的目標(biāo)。當(dāng)該器件工作時(shí)，與器件直接相關(guān)的幾個(gè)熱轉(zhuǎn)移過(guò)程有熱電效應(yīng)、熱傳導(dǎo)和焦耳熱。因此，要想獲得一個(gè)大的熱電轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)該盡可能的滿足熱轉(zhuǎn)移過(guò)程以熱電效應(yīng)為主，降低其他轉(zhuǎn)移過(guò)程的熱損耗。熱電優(yōu)值被用來(lái)作為衡量熱電材料的熱電性能參數(shù)。量綱為K1的Z值越大，熱電性能越好。定義為無(wú)量綱熱電優(yōu)值如式子1.19所示：zT=α2σkT（1.19）將α2定義為材料的功率因子（PF）。從公式1.19中可以得出，要想保證有較強(qiáng)的熱電效應(yīng)，這就需要要求該熱電材料具有一個(gè)較大的Seebeek系數(shù)。此外，當(dāng)導(dǎo)熱性能較差時(shí)，能較容易保持一個(gè)較大的溫差。因此，要想具備一個(gè)大的zT值，該材料除了滿足具有大Seebeek系數(shù)外，還需要具有較小的熱導(dǎo)率以及較高的電導(dǎo)率以便產(chǎn)生較少的焦耳熱。提高材料zT值是提高熱電器件轉(zhuǎn)化效率的重要途徑。眾所周知，熱電發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)從熱-電能的直接能量轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)單且可靠。然而，限制其應(yīng)用的重要原因是由于熱電發(fā)電機(jī)的效率與傳統(tǒng)熱機(jī)相比相對(duì)較低。熱電模塊的轉(zhuǎn)換效率可由式子1.20中決定：η=Thot-TcoldThot1+zTm-11+zTm+(TcoldThot)（1.20）其中，Thot、Tcold和Tm分別指的是是熱端的溫度、冷端的溫度以及平均溫度。對(duì)于一個(gè)給定的溫差，提升熱電材料的轉(zhuǎn)換效率主要依靠zT值的提升。因此，提高已經(jīng)現(xiàn)有研究材料的性能以及探索具有固有高zT值的新化合物是熱電材料研究中的兩大基本思路。然而，由于熱電傳輸參數(shù)之間復(fù)雜的相互依賴性[28]，同時(shí)優(yōu)化熱電傳輸參數(shù)具有

TiNiSn(Bi,Te)Half-Heusler熱電材料的微波制備及熱電性能研究8一個(gè)內(nèi)在的低的聲速（意味著一個(gè)低的晶格熱導(dǎo)率），是非常有希望顯示出一個(gè)極好的熱電性能。圖1.4幾種主要的熱電材料的zT值隨溫度的變化：(a)N型半導(dǎo)體材料；(b)P型半導(dǎo)體材料1.4熱電材料的研究進(jìn)展1.4.1熱電材料的分類熱電材料在分類過(guò)程中，根據(jù)材料差異可以分為金屬間化合物和半導(dǎo)體金屬氧化物等；按照樣品體態(tài)也可以劃分為超晶格薄膜和塊體熱電材料；此外根據(jù)其最大的zT值所在的溫度區(qū)間，也可以根據(jù)溫度劃分。比如按照溫度劃分的低溫區(qū)（300-500K）內(nèi)的Bi2Te3和Sb2Te3，中溫區(qū)（500-900K）Half-Heusler熱電材料以及高溫區(qū)（>900K）的SiGe都是比較典型的具有優(yōu)異熱電性能的材料。1）傳統(tǒng)熱電材料作為最先發(fā)展的低溫區(qū)的材料之一，Bi2Te3基固溶體熱電材料成為了熱電制冷元件主要應(yīng)用材料。圖1.5所示為Bi2Te3的晶體結(jié)構(gòu)[38]。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，Bi2Te3在解理面平行面上具有最大的zT值，最大可達(dá)1左右。分析原因是由于Bi2Te3屬于R-3m空間群，原子層內(nèi)部通過(guò)共價(jià)鍵連接，而層間則是通過(guò)分子間作用力結(jié)合，具有各向異性的特性[39]。同時(shí)摻雜、復(fù)合第二相等實(shí)驗(yàn)手段的實(shí)施，以及如快速等離子燒結(jié)法、機(jī)械合金化法以及快淬法等[40-43]制備工藝的改善，使得Bi2Te3基熱電材料的熱電性能得到有效的改善，納米、超晶格以及薄膜技術(shù)的發(fā)展使得BiTe合金的zT值突破了2的極限[44]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Half-Heusler熱電材料的研究進(jìn)展[J]. 嚴(yán)瀟,袁波.  西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2016(01)
[2]脈沖激光沉積中高能量密度激光密度對(duì)Cu2Se熱電薄膜成分與性能的影響（英文）[J]. 呂艷紅,陳吉堃,D?BELI Max,李宇龍,史迅,陳立東.  無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào). 2015(10)
[3]微波技術(shù)在金屬材料制備中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 彭元東,易健宏,羅述東,李麗婭,陳剛,冉俊銘.  稀有金屬材料與工程. 2009(04)

碩士論文
[1]銻摻雜半赫斯勒合金的微波合成及熱電性能研究[D]. 程誠(chéng).安徽工業(yè)大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3503618