發(fā)布時(shí)間：2017-10-19 05:48

  本文關(guān)鍵詞：La-Fe-Co-Sb包晶合金非平衡組織演變與熱電性能的研究

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【摘要】：方鈷礦是一種優(yōu)異的中溫段熱電材料。前期研究發(fā)現(xiàn)調(diào)幅分解產(chǎn)生的共格界面應(yīng)變場能使材料的晶格熱導(dǎo)率顯著下降且功率因子增加。但是,方鈷礦體系中調(diào)幅分解的理論基礎(chǔ)和形成機(jī)理以及制備過程中不同的參數(shù)對于最終調(diào)幅分解組織的影響規(guī)律尚未明了。本論文分別利用隨爐冷卻和快速凝固的方法獲得中間組織,結(jié)合快速熱壓燒結(jié)獲得致密、單相的La0.8Ga0.1Ti0.1FexCo4-xSb12合金;對La-Fe-Co-Sb體系中調(diào)幅分解的熱力學(xué)理論和形成機(jī)制進(jìn)行了研究,并且分析了熱壓溫度和壓力、初始成分和中間組織對于調(diào)幅分解的影響。利用第一性原理計(jì)算了La-Fe-Co-Sb體系的混合自由能,結(jié)果表明:Fe/Co比和La填充率的差異都可以作為調(diào)幅分解的驅(qū)動(dòng)力,且一直在1200K以下體系中都會出現(xiàn)調(diào)幅分解現(xiàn)象。本課題所選用的La0.8Ga0.1Ti0.1FexCo4-xSb12體系位于亞穩(wěn)區(qū),調(diào)幅分解需要經(jīng)歷形核、長大過程。通過熔煉+退火試驗(yàn)研究了La0.8Ga0.1Ti0.1FexCo4-xSb12合金在近平衡條件下的包晶反應(yīng)和調(diào)幅分解過程。在973K下退火,首先發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變,之后發(fā)生化合反應(yīng),最終生成目標(biāo)產(chǎn)物方鈷礦相。退火100h后,La0.8Ga0.1Ti0.1Fe3Co Sb12組織中是方鈷礦相,可觀察到彎曲的調(diào)幅分解相邊界,調(diào)幅分解相中的Fe/Co比與La填充率正相關(guān)。隨后,進(jìn)行了熔煉+退火+熱壓試驗(yàn),研究了不同初始Fe/Co比x對調(diào)幅分解組織的影響,發(fā)現(xiàn)Fe/Co比x=3.3的樣品調(diào)幅分解兩相成分差異最大,調(diào)幅分解兩相為Fe/Co比高的富La相和Fe/Co比低的貧La相,最大ZT=0.75。通過旋淬+熱壓試驗(yàn)研究了La0.8Ga0.1Ti0.1FexCo4-xSb12合金在非平衡條件下的包晶反應(yīng)和調(diào)幅分解過程。首先,研究了熱壓溫度和壓力對調(diào)幅分解組織的影響,發(fā)現(xiàn)在473K時(shí),旋淬薄帶中方鈷礦相轉(zhuǎn)變便已開始,遠(yuǎn)低于平衡相變溫度1147K。熱壓壓力超過60MPa時(shí),樣品中微孔基本消失,調(diào)幅分解區(qū)減少,組織向均一成分轉(zhuǎn)化。然后,研究了不同初始Fe/Co比x的影響,發(fā)現(xiàn)隨著初始Fe/Co比x的增大,調(diào)幅分解的驅(qū)動(dòng)力由Fe/Co和La填充率共同主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)長a填充率單獨(dú)主導(dǎo)。在Fe/Co比x=3.3時(shí),兩相La填充率差異最大。調(diào)幅分解區(qū)內(nèi)細(xì)密的貧La相均布在富La相的基體中,島狀顆粒接近100nm。而對于x=4.0樣品,島狀顆粒尺寸進(jìn)一步減小,尺寸約為50nm。結(jié)合密度泛函理論計(jì)算及聲子、電子輸運(yùn)特性測試,研究了調(diào)幅分解兩相分布對熱電性能的影響。發(fā)現(xiàn)枝晶偏析和調(diào)幅分解都能造成區(qū)域間的成分差異;而增大調(diào)幅分解兩相的成分差異,能夠提升熱電性能,相比于Fe/Co比差異,兩相間La填充率的差異提升效果更加顯著。調(diào)幅分解可以提高Seebeck系數(shù)和大大降低晶格熱導(dǎo)率。枝晶偏析可以降低晶格熱導(dǎo)率,但是對電性能影響不大。Fe/Co比x=3.3的熔煉+旋淬+熱壓樣品中La填充率大且調(diào)幅分解兩相成分差異最明顯,最大ZT為1.34,理論熱-電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16%。x=4.0樣品由于納米貧La相的作用,獲得超低熱導(dǎo)率1.47 Wm-1K-1,達(dá)到了“聲子玻璃”的效果。
【關(guān)鍵詞】：方鈷礦 調(diào)幅分解 旋淬 非平衡 熱電材料
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.45
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-26
• 1.1 課題背景及研究意義11
• 1.2 熱電效應(yīng)及熱電參數(shù)11-14
• 1.3 方鈷礦熱電材料14-18
• 1.3.1 晶體結(jié)構(gòu)14-15
• 1.3.2 方鈷礦化合物中的包晶反應(yīng)15-18
• 1.4 P型方鈷礦熱電材料性能優(yōu)化18-24
• 1.4.1 單填/多填P型填充式方鈷礦18-19
• 1.4.2 P型方鈷礦合金固溶體19-20
• 1.4.3 結(jié)構(gòu)納米化20
• 1.4.4 熱電材料中調(diào)幅分解及界面應(yīng)力場20-23
• 1.4.5 研究現(xiàn)狀總結(jié)23-24
• 1.5 主要研究內(nèi)容24-26
• 1.5.1 退火+熱壓過程中的組織演變機(jī)制24
• 1.5.2 旋淬+熱壓非平衡過程中調(diào)幅分解組織演變24-25
• 1.5.3 探究調(diào)幅分解兩相分布對熱電性能的影響25-26
• 第2章 試驗(yàn)材料與研究方法26-30
• 2.1 研究方案26
• 2.2 樣品的制備26-28
• 2.2.1 配制和初步熔煉26-27
• 2.2.2 退火處理27
• 2.2.3 熔體旋淬27-28
• 2.2.4 快速熱壓燒結(jié)28
• 2.3 微觀組織分析和性能測試28-30
• 2.3.1 組織分析28-29
• 2.3.2 熱電性能分析29-30
• 第3章 退火+熱壓過程中的組織演變機(jī)制30-45
• 3.1 引言30
• 3.2 方鈷礦相中調(diào)幅分解穩(wěn)定性的第一性原理計(jì)算30-33
• 3.3 La_(0.8)Ga_(0.1)Ti_(0.1)Fe_3CoSb_(12)爐冷樣品中的包晶轉(zhuǎn)變及調(diào)幅分解33-37
• 3.3.1 爐冷樣品中的顯微組織33
• 3.3.2 973K下退火對爐冷樣品組織的影響33-36
• 3.3.3 973K退火對爐冷樣品中調(diào)幅分解的影響36-37
• 3.4 初始Fe/Co比對退火樣品組織的影響37-43
• 3.4.1 退火樣品的XRD分析37-40
• 3.4.2 退火樣品的形貌表征40-41
• 3.4.3 快速熱壓燒結(jié)對不同初始Fe/Co比退火樣品調(diào)幅分解的影響41-43
• 3.5 本章小結(jié)43-45
• 第4章 旋淬+熱壓非平衡過程中調(diào)幅分解組織演變45-62
• 4.1 引言45
• 4.2 旋淬樣品中的調(diào)幅分解45-50
• 4.2.1 旋淬薄帶的形貌表征45-48
• 4.2.2 快速熱壓中調(diào)幅分解表征48-50
• 4.3 熱壓過程中的調(diào)幅分解組織演變50-55
• 4.3.1 溫度對調(diào)幅分解的影響50-53
• 4.3.2 燒結(jié)壓力P對調(diào)幅分解的影響53-55
• 4.4 初始Fe/Co比對旋淬樣品組織的影響55-60
• 4.4.1 不同F(xiàn)e/Co比旋淬樣品的XRD結(jié)構(gòu)分析55-57
• 4.4.2 熱壓燒結(jié)對不同初始Fe/Co比旋淬樣品調(diào)幅分解的影響57-60
• 4.5 本章小結(jié)60-62
• 第5章 La-Fe-Co-Sb方鈷礦材料的熱電性能62-77
• 5.1 引言62
• 5.2 能帶結(jié)構(gòu)及應(yīng)變的作用62-64
• 5.3 退火+熱壓樣品微觀組織對熱電性能的影響64-67
• 5.4 旋淬+熱壓樣品微觀組織對熱電性能的影響67-75
• 5.3.1 不同燒結(jié)壓力下微觀組織對熱電性能的影響67-71
• 5.3.2 Fe/Co比不同的微觀組織對熱電性能的影響71-75
• 5.5 本章小結(jié)75-77
• 結(jié)論77-79
• 參考文獻(xiàn)79-84
• 致謝84

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7 李奕l，

本文編號：1059399