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SiGe半導(dǎo)體的制備和表征及溫差電偶臂尺寸設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2017-07-08 17:20

  本文關(guān)鍵詞:SiGe半導(dǎo)體的制備和表征及溫差電偶臂尺寸設(shè)計(jì)


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【摘要】:熱電材料可以有效地進(jìn)行熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換,在航天探測(cè)、廢熱利用等領(lǐng)域有著可觀的應(yīng)用前景。其中,SiGe合金有著較好的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和不錯(cuò)的熱電性能,已經(jīng)在航天用的溫差熱電發(fā)電器有所運(yùn)用,但是存在的主要問題是ZT值不高,目前報(bào)道的最高也是1.15@973K,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論ZT值,從而導(dǎo)致溫差發(fā)電器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率并不高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)發(fā)電器40%的轉(zhuǎn)換效率。為了解決上述問題,制備高ZT值SiGe合金,設(shè)計(jì)合適尺寸的溫差電偶臂成了必要的手段。本文首先利用機(jī)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(jié)的方法來(lái)制備塊狀Si80Ge20b5和Si80Ge20p2合金試樣,然后利用XRD、SEM對(duì)塊狀試樣進(jìn)行微觀組織性能表征發(fā)現(xiàn),通過(guò)球磨p-type和n-type兩種合金均完全固溶。同時(shí),隨著球磨時(shí)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(dá)到了600nm。最后,對(duì)制得的十組試樣進(jìn)行熱電性能測(cè)試分析可知,隨著球磨時(shí)間的增加,合金的熱導(dǎo)率逐漸減小,主要因?yàn)榫Я3叽鐪p小,晶界逐漸增多,從而加強(qiáng)了對(duì)聲子的散射;同時(shí),隨著球磨時(shí)間增加,合金電導(dǎo)率先增加,后減;最后求得ZT值,p-type SiGe合金在球磨50h時(shí)有著最高的ZT值,ZT=0.83@973K;n-type合金在球磨20h時(shí)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(zhǎng)期以及其他復(fù)雜條件下的服役穩(wěn)定性,本文測(cè)試和計(jì)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(shí)測(cè)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(shí)間的增加而增大,這主要得益于晶粒尺寸減小計(jì)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(duì)p-type和n-type兩種合金試樣進(jìn)行TG測(cè)試分析,由所得的結(jié)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(zhuǎn)換效率,并且為下一步設(shè)計(jì)溫差發(fā)電器做好準(zhǔn)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(jié),用ANSYS軟件模擬和計(jì)算臂長(zhǎng)、截面積以及負(fù)載電阻對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的影響,得出當(dāng)臂長(zhǎng)L=2.5mm和橫截面面積s=2.5mm2時(shí),有著較搞的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率,并且當(dāng)負(fù)載電阻RL等于內(nèi)阻時(shí),輸出功率最大。
【關(guān)鍵詞】:SiGe 熱電材料 高能球磨 熱電性能 力學(xué)性能 尺寸設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】:哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類號(hào)】: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(yīng)和定義11-13
  • 1.3 熱電材料的研究現(xiàn)狀13-17
  • 1.3.1 低溫?zé)犭姴牧?/span>13
  • 1.3.2 中溫?zé)犭姴牧?/span>13-14
  • 1.3.3 高溫?zé)犭姴牧?/span>14
  • 1.3.4 SiGe合金14-17
  • 1.4 熱電器件的應(yīng)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?jī)?nèi)容20-21
  • 第2章 試驗(yàn)材料及方法21-25
  • 2.1 試驗(yàn)材料及制備21-22
  • 2.1.1 試驗(yàn)材料21
  • 2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備21
  • 2.1.3 材料的制備21-22
  • 2.2 結(jié)構(gòu)表征22
  • 2.3 熱電性能表征22-24
  • 2.4 力學(xué)性能測(cè)試24-25
  • 第3章 球磨時(shí)間對(duì)Si_(80)Ge_(20)B_5組織結(jié)構(gòu)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(yùn)特性26-28
  • 3.5 Si_(80)Ge_(20)B_5熱電材料的熱輸運(yùn)特性28-30
  • 3.6 Si_(80)Ge_(20)B_5熱電材料無(wú)量綱熱電優(yōu)值30-31
  • 3.7 力學(xué)性能31-34
  • 3.8 熱穩(wěn)定性34-35
  • 3.9 本章小結(jié)35-36
  • 第4章 球磨時(shí)間對(duì)Si_(80)Ge_(20)P_2組織結(jié)構(gòu)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(yùn)特性38-39
  • 4.5 Si_(80)Ge_(20)P_2熱電材料的熱輸運(yùn)特性39-41
  • 4.6 Si_(80)Ge_(20)P_2熱電材料無(wú)量綱熱電優(yōu)值41-42
  • 4.7 力學(xué)性能42-45
  • 4.8 熱穩(wěn)定性45
  • 4.9 本章小結(jié)45-47
  • 第5章 溫差電偶臂尺寸設(shè)計(jì)47-55
  • 5.1 引言47
  • 5.2 ANSYS有限元分析47-48
  • 5.2.1 ANSYS簡(jiǎn)介47-48
  • 5.2.2 ANSYS分析的基本過(guò)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(shè)計(jì)50-52
  • 5.4.1 參數(shù)化建模和參數(shù)設(shè)定50-51
  • 5.4.2 仿真結(jié)果51-52
  • 5.5 溫差電偶臂尺寸對(duì)溫差發(fā)電器性能參數(shù)的影響52-54
  • 5.5.1 截面面積對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的影響52-53
  • 5.5.2 臂長(zhǎng)對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的影響53-54
  • 5.5.3 負(fù)載電阻對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的影響54
  • 5.6 本章小結(jié)54-55
  • 結(jié)論55-56
  • 參考文獻(xiàn)56-61
  • 致謝61

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