在現(xiàn)有的眾多熱電材料中,半哈斯勒（half-heusler）合金以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。但是,制約此類合金發(fā)展的一個(gè)主要因素是較高的本征熱導(dǎo)率。本文以Ni-Mn-Sn系合金為研究對(duì)象,先探究了不同制備工藝對(duì)NiMnSn合金微觀結(jié)構(gòu)的影響,后分別分析了Sb和Al元素在Sn位的固溶置換對(duì)Ni-Co-Mn-Sn基合金組織和熱電性能的影響。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:（1）研究發(fā)現(xiàn),對(duì)NiMnSn合金,二次熔煉要比一次熔煉得到的塊體合金晶粒更細(xì)小,組織排列更有序規(guī)則,成分更均勻。熔煉得到的NiMnSn合金晶粒尺寸在微米級(jí),經(jīng)高能球磨后粉末顆粒尺寸在一百納米左右。與熱壓燒結(jié)的試樣相比,SPS燒結(jié)能獲得晶粒更細(xì)小的合金試樣,且燒結(jié)效率更高。（2）采用熔煉、球磨和SPS燒結(jié)法制備Ni_0.8Co_0.2MnSn_1-xSb_x（x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0）和Ni_0.8Co_0.2MnSn_1-xAl_x（x=0.2,0.4,0... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：58 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

平板式熱電器件結(jié)構(gòu)示意圖[14]

Sb和Al元素對(duì)Ni-Co-Mn-Sn系熱電合金組織與性能的影響4供熱，另一端散熱，使兩端保持一定的溫度差。熱端由于受熱會(huì)激發(fā)出更多的載流子且獲得更高的動(dòng)能，進(jìn)而促使載流子向冷端擴(kuò)散，最終兩端會(huì)形成一個(gè)平衡，表現(xiàn)為無載流子的宏觀遷移，此時(shí)半導(dǎo)體的兩端會(huì)構(gòu)成一個(gè)電動(dòng)勢(shì)即塞貝克電動(dòng)勢(shì)，電勢(shì)差的存在會(huì)在電路中形成電流，進(jìn)而引起電燈泡發(fā)亮。半導(dǎo)體中電荷的移動(dòng)伴隨著能量和熵的變化。圖1.2(b)中，P型和N型半導(dǎo)體串聯(lián)在一個(gè)接有外部電源的閉合回路中，通入電流時(shí)，由于電子在不同材料中所處的能級(jí)不同，當(dāng)電子在電場(chǎng)作用下從N型半導(dǎo)體（能級(jí)高）流入金屬（能級(jí)低）時(shí)，在界面結(jié)合勢(shì)壘處向下躍遷，宏觀上產(chǎn)生放熱現(xiàn)象；當(dāng)電子從P型半導(dǎo)體（能級(jí)低）流入金屬（能級(jí)高）時(shí)，會(huì)吸收熱量向上躍遷，表現(xiàn)為吸熱現(xiàn)象，最終會(huì)在半導(dǎo)體的一端放熱另一端吸熱，從而實(shí)現(xiàn)制冷的效果。圖1.1平板式熱電器件結(jié)構(gòu)示意圖[14](a)熱電發(fā)電(b)熱電制冷圖1.2熱電發(fā)電和熱電制冷工作原理示意圖1.2.3影響熱電性能的主要參數(shù)實(shí)現(xiàn)熱電器件大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵在于提高器件的熱電轉(zhuǎn)換效率，熱電設(shè)備的熱電轉(zhuǎn)換效率可用下式描述：η=Th-TcTh1+ZT-11+ZT+TcTh(1.1)式中，Th和Tc分別為熱電發(fā)電機(jī)熱端和冷端處的溫度，Th-TcTh代表卡諾效率ηc。當(dāng)ZT

碩士學(xué)位論文5值趨于無窮大時(shí)，發(fā)電效率將無限逼近卡諾效率。由式(1.1)可以看出，在一定溫差下，轉(zhuǎn)換效率的高低取決于ZT值，ZT值越高，轉(zhuǎn)換效率也越高。Altenkirch提出的無量綱熱電優(yōu)值ZT用來表征熱電材料的熱電性能，努力提高ZT值是研究熱電材料的核心內(nèi)容，其具體表達(dá)式如下：ZT=(S2σ/κ)T(1.2)式中，S為Seebeck系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，κ為熱導(dǎo)率,包括晶格熱導(dǎo)率κl和載流子熱導(dǎo)率κe，S2σ為功率因子(PF)。該式簡明的描述了在一定溫度T下，優(yōu)異的熱電材料應(yīng)同時(shí)具備大的Seebeck系數(shù)、高的σ及低的κ。然而這三個(gè)參數(shù)并不相互獨(dú)立，互不影響，它們都與載流子濃度之間存在密切聯(lián)系，如圖1.3所示[22]。從圖1.3可看出S、σ和κ三個(gè)參數(shù)隨載流子濃度的變化趨勢(shì)各異且彼此制約，其中隨著載流子濃度的增加，σ和S的變化趨勢(shì)相反，載流子濃度在1019~1020范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的材料可得到最佳熱電性能。單獨(dú)調(diào)控其中一個(gè)參數(shù)會(huì)造成其他參數(shù)非協(xié)同性的變化，故實(shí)現(xiàn)三個(gè)熱電參數(shù)協(xié)同調(diào)控對(duì)提升ZT值來說顯得尤為重要。深入研究和理解各熱電參數(shù)的含義、數(shù)學(xué)表達(dá)式及影響因素，為進(jìn)一步開發(fā)高性能熱電材料提供方向和理論指導(dǎo)，下面就基于熱電輸運(yùn)基礎(chǔ)理論對(duì)幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行一一討論。圖1.3三個(gè)熱電參數(shù)與載流子濃度的關(guān)系圖[22]1.2.3.1Seebeck系數(shù)對(duì)于簡并半導(dǎo)體，Seebeck系數(shù)可用Mott公式表示如下[23]：S=π23КBqКBT1ndn(E)dE+1μdμ(E)dEE=EF(1.3)式中，q為載流子所帶電荷量，n(E)和μ(E)分別為能級(jí)E處的載流子濃度和載流子遷移率，EF為費(fèi)米能級(jí)。該式表明，高的dn(E)dE和dμ(E)dE可獲得高的Seebeck系數(shù)，這就要

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