本文關鍵詞：SiGe半導體的制備和表征及溫差電偶臂尺寸設計

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【摘要】：熱電材料可以有效地進行熱能與電能直接相互轉換,在航天探測、廢熱利用等領域有著可觀的應用前景。其中,SiGe合金有著較好的機械性能、熱穩(wěn)定性和不錯的熱電性能,已經在航天用的溫差熱電發(fā)電器有所運用,但是存在的主要問題是ZT值不高,目前報道的最高也是1.15@973K,遠遠低于理論ZT值,從而導致溫差發(fā)電器的輸出功率和轉換效率并不高,遠遠低于傳統(tǒng)發(fā)電器40%的轉換效率。為了解決上述問題,制備高ZT值SiGe合金,設計合適尺寸的溫差電偶臂成了必要的手段。本文首先利用機械合金化(高能球磨)的方法制備分別球磨10h、20h、30h、40h和50h的Si80Ge20B5和Si80Ge20P2熱電材料合金粉末,利用真空熱壓燒結的方法來制備塊狀Si80Ge20b5和Si80Ge20p2合金試樣,然后利用XRD、SEM對塊狀試樣進行微觀組織性能表征發(fā)現(xiàn),通過球磨p-type和n-type兩種合金均完全固溶。同時,隨著球磨時間的增加,晶粒尺寸逐漸減小,球磨50h的合金試樣晶粒尺寸達到了600nm。最后,對制得的十組試樣進行熱電性能測試分析可知,隨著球磨時間的增加,合金的熱導率逐漸減小,主要因為晶粒尺寸減小,晶界逐漸增多,從而加強了對聲子的散射；同時,隨著球磨時間增加,合金電導率先增加,后減��；最后求得ZT值,p-type SiGe合金在球磨50h時有著最高的ZT值,ZT=0.83@973K；n-type合金在球磨20h時具有最高的ZT值,ZT=1.3@973K。為了確保制得的SiGe合金在高溫、長期以及其他復雜條件下的服役穩(wěn)定性,本文測試和計算了其納米壓痕、維氏硬度、斷裂韌性、耐熱震性和熱穩(wěn)定性。得到Si80Ge20B5合金試樣的彈性模量為197.05GPa,Si80Ge20P2合金試樣的彈性模量為182.76GPa,Si80Ge20B5合金試樣的納米壓痕硬度為15.77GPa,Si80Ge20p2合金試樣的納米壓痕硬度為15.10GPa；同時測了十組試樣的維氏硬度,p-type和n-type合金試樣的維氏硬度都隨著球磨時間的增加而增大,這主要得益于晶粒尺寸減小計算得到斷裂韌性:p-type SiGe KIC=2.0MPam1/2, n-type SiGe合金KIC=1.8MPam1/2；耐熱震性：p-type RT=455.14W/m, n-type RT=449.56W/m,耐熱震性要優(yōu)于其他熱電材料。對p-type和n-type兩種合金試樣進行TG測試分析,由所得的結果可知,隨著溫度升高,兩種合金均不存在分解和升華的現(xiàn)象,熱穩(wěn)定性很好。為了提高溫差發(fā)電器的輸出功率和轉換效率,并且為下一步設計溫差發(fā)電器做好準備,本文用球磨20h的p-type和n-type合金試樣作為溫差發(fā)電器的PN結,用ANSYS軟件模擬和計算臂長、截面積以及負載電阻對輸出功率和轉換效率的影響,得出當臂長L=2.5mm和橫截面面積s=2.5mm2時,有著較搞的輸出功率和轉換效率,并且當負載電阻RL等于內阻時,輸出功率最大。
【關鍵詞】：SiGe 熱電材料 高能球磨 熱電性能 力學性能 尺寸設計
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM913;TB34
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 研究背景和意義10-11
• 1.2 基本效應和定義11-13
• 1.3 熱電材料的研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3.1 低溫熱電材料13
• 1.3.2 中溫熱電材料13-14
• 1.3.3 高溫熱電材料14
• 1.3.4 SiGe合金14-17
• 1.4 熱電器件的應用17-18
• 1.5 提高熱電優(yōu)值的方法18-20
• 1.6 本文主要研究內容20-21
• 第2章 試驗材料及方法21-25
• 2.1 試驗材料及制備21-22
• 2.1.1 試驗材料21
• 2.1.2 試驗設備21
• 2.1.3 材料的制備21-22
• 2.2 結構表征22
• 2.3 熱電性能表征22-24
• 2.4 力學性能測試24-25
• 第3章 球磨時間對Si_(80)Ge_(20)B_5組織結構和性能的影響25-36
• 3.1 引言25
• 3.2 Si_(80)Ge_(20)B_5熱電材料XRD圖譜25-26
• 3.3 Si_(80)Ge_(20)B_5熱電材料斷口形貌26
• 3.4 Si_(80)Ge_(20)B_5熱電材料的電輸運特性26-28
• 3.5 Si_(80)Ge_(20)B_5熱電材料的熱輸運特性28-30
• 3.6 Si_(80)Ge_(20)B_5熱電材料無量綱熱電優(yōu)值30-31
• 3.7 力學性能31-34
• 3.8 熱穩(wěn)定性34-35
• 3.9 本章小結35-36
• 第4章 球磨時間對Si_(80)Ge_(20)P_2組織結構和性能的影響36-47
• 4.1 引言36
• 4.2 Si_(80)Ge_(20)P_2熱電材料的XRD圖譜36-37
• 4.3 Si_(80)Ge_(20)P_2熱電材料的斷口形貌37-38
• 4.4 Si_(80)Ge_(20)P_2熱電材料的電輸運特性38-39
• 4.5 Si_(80)Ge_(20)P_2熱電材料的熱輸運特性39-41
• 4.6 Si_(80)Ge_(20)P_2熱電材料無量綱熱電優(yōu)值41-42
• 4.7 力學性能42-45
• 4.8 熱穩(wěn)定性45
• 4.9 本章小結45-47
• 第5章 溫差電偶臂尺寸設計47-55
• 5.1 引言47
• 5.2 ANSYS有限元分析47-48
• 5.2.1 ANSYS簡介47-48
• 5.2.2 ANSYS分析的基本過程48
• 5.3 溫差發(fā)電器的主要性能參數(shù)48-50
• 5.4 溫差電偶臂尺寸設計50-52
• 5.4.1 參數(shù)化建模和參數(shù)設定50-51
• 5.4.2 仿真結果51-52
• 5.5 溫差電偶臂尺寸對溫差發(fā)電器性能參數(shù)的影響52-54
• 5.5.1 截面面積對輸出功率和轉換效率的影響52-53
• 5.5.2 臂長對輸出功率和轉換效率的影響53-54
• 5.5.3 負載電阻對輸出功率和轉換效率的影響54
• 5.6 本章小結54-55
• 結論55-56
• 參考文獻56-61
• 致謝61

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