熱電材料是一種可以實現(xiàn)熱能和電能的相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料,由于其無污染、無噪音、可靠性高和反應(yīng)靈敏等優(yōu)點在航空航天、溫差發(fā)電和制冷等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。Mg₂(Si,Sn)中溫熱電材料的成本低廉且無毒無污染,近年來受到極大的關(guān)注,但由于Mg元素極易揮發(fā)和氧化,以及原料中各元素極大的熔點差導(dǎo)致其合成和制備非常困難。針對這一問題,本文采用部分熔化的高溫度梯度區(qū)熔定向凝固方法進行探索,在平界面凝固下獲得高質(zhì)量的單相Mg₂(Si,Sn)晶體,并結(jié)合第一性原理計算對載流子輸運特性進行研究并預(yù)測最優(yōu)熱電性能,為制備高性能的Mg₂(Si,Sn)基熱電材料提供理論依據(jù)和可靠方法。研究中先對簡單的二元Mg₂Sn合金定向凝固工藝參數(shù)、凝固機理、晶體生長特性和微觀組織形貌進行探討,同時結(jié)合第一性原理計算對Mg₂Sn單晶的電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù),以及其傳導(dǎo)方式的各向異性進行研究�；诙狹g₂Sn合金的研究結(jié)果,對不同成分下Mg₂Si

【文章頁數(shù)】：126 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
論文的主要創(chuàng)新與貢獻
物理量名稱及符號表
第1章 緒論
    1.1 熱電原理基礎(chǔ)簡介
        1.1.1 熱電效應(yīng)
        1.1.2 熱電性能及其參數(shù)
    1.2 熱電材料及其研究進展
        1.2.1 熱電材料簡介
        1.2.2 熱電材料的研究進展
    1.3 熱電材料的制備及性能優(yōu)化
        1.3.1 熱電材料的主要制備方法
        1.3.2 提高熱電材料性能的途徑
    1.4 Mg₂B^Ⅳ基熱電材料
        1.4.1 Mg₂B^Ⅳ基熱電材料簡介
        1.4.2 Mg2(Si,Sn)基熱電材料研究進展
    1.5 研究意義和主要內(nèi)容
        1.5.1 研究意義
        1.5.2 研究的主要內(nèi)容
第2章 實驗和第一性原理計算方法
    2.1 合金系和成分選擇
    2.2 材料制備工藝
        2.2.1 真空感應(yīng)熔煉
        2.2.2 定向凝固實驗
    2.3 凝固試樣處理和微觀組織分析測試
        2.3.1 凝固試樣處理
        2.3.2 相成分的分析及晶格參數(shù)測定
    2.4 熱電性能測試
        2.4.1 Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率
        2.4.2 Hall系數(shù)
        2.4.3 熱導(dǎo)率
    2.5 第一性原理計算
        2.5.1 晶胞構(gòu)建和幾何優(yōu)化
        2.5.2 電子結(jié)構(gòu)和電子密度分布
        2.5.3 彈性常數(shù)和晶格熱力學(xué)參數(shù)計算
        2.5.4 電子傳輸性能
        2.5.5 計算軟件簡介
第3章 Mg₂Sn合金定向凝固與微觀組織
    3.1 定向凝固溫度梯度
        3.1.1 溫度梯度的測量方法
        3.1.2 定向凝固溫度梯度測定
    3.2 Mg₂Sn合金定向凝固
        3.2.1 金屬間化合物溶質(zhì)分凝特性
        3.2.2 Mg₂Sn合金臨界轉(zhuǎn)變速率
    3.3 定向凝固Mg₂Sn微觀組織和熱電性能分析
        3.3.1 定向凝固微觀組織
        3.3.2 微觀組織對熱電性能的影響
    3.4 本章小結(jié)
第4章 Mg₂Sn晶體電子結(jié)構(gòu)和熱電性能各向異性研究
    4.1 Mg₂Sn電子結(jié)構(gòu)第一性原理計算
        4.1.1 晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
        4.1.2 能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度
        4.1.3 電子密度分布
    4.2 Mg₂Sn力學(xué)性能和晶格熱力學(xué)計算
        4.2.1 彈性性能
        4.2.2 晶格熱力學(xué)計算
    4.3 Mg₂Sn單晶熱電性能各向異性
        4.3.1 微觀組織和取向分析
        4.3.2 電子傳輸性能測試結(jié)果
        4.3.3 OCSR現(xiàn)象分析
        4.3.4 Seebeck系數(shù)各向異性分析
        4.3.5 熱導(dǎo)率和熱電優(yōu)值
    4.4 本章小結(jié)
第5章 Mg₂Si_1-xSn_x合金能帶收斂和熱電性能預(yù)測
    5.1 超晶胞的構(gòu)建和能帶收斂理論
        5.1.1 Mg₂Si_1-xSn_x超晶胞和幾何優(yōu)化
        5.1.2 能帶和態(tài)密度計算
        5.1.3 能帶收斂理論分析
    5.2 電子傳輸性能計算
        5.2.1 Boltzmann方程求解
        5.2.2 Fermi能級對電子傳輸性能的影響
        5.2.3 摻雜濃度對電子傳輸性能的影響
        5.2.4 不同溫度下熱電性能預(yù)測
    5.3 本章小結(jié)
第6章 Mg₂Si_1-xSn_x單晶熱電性能的研究
    6.1 未摻雜Mg₂Si_1-xSn_x單晶組織和成分分析
        6.1.1 Mg₂Si_1-xSn_x定向凝固微觀組織
        6.1.2 微觀組織成分分析
        6.1.3 晶格常數(shù)計算
    6.2 未摻雜Mg₂Si_1-xSn_x單晶熱電性能
        6.2.1 Seebeck系數(shù)
        6.2.2 電導(dǎo)率和功率因子
        6.2.3 熱導(dǎo)率和ZT值
    6.3 Sb摻雜Mg₂Si_0.35Sn_0.65單晶成分和取向分析
        6.3.1 微觀組織和成分分析
        6.3.2 晶體取向分析
    6.4 Sb摻雜Mg₂Si_0.35Sn_0.65單晶熱電性能分析
        6.4.1 電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)
        6.4.2 Seebeck系數(shù)各向異性分析
        6.4.3 功率因子和熱電優(yōu)值
    6.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
致謝
攻讀博士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文



本文編號：3774601