面向余熱利用熱電材料及器件研究.pdf

1、熱電材料是一種基于塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和熱能直接轉(zhuǎn)換的功能材料。熱電材料已經(jīng)成為熱電制冷、熱電發(fā)電等前瞻性、戰(zhàn)略性新能源技術(shù)關(guān)鍵材料。碲化鉍基合金材料作為目前室溫附近性能最優(yōu)的熱電材料，已廣泛應(yīng)用于航天航空、微電子、特殊電源等領(lǐng)域。由于在中低溫區(qū)200-300℃，碲化鉍基熱電材料較低的熱電性能限制了其應(yīng)用的進(jìn)一步拓寬，因而開展優(yōu)化碲化鉍基熱電材料在中低溫區(qū)的熱電性能研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。
　　首先，本文探究了多價(jià)

2、態(tài)元素與P型碲化鉍基體的復(fù)合對材料熱電性能的影響變化規(guī)律。采用搖擺熔融與區(qū)域熔煉相結(jié)合的方法，制備了Bi0.5Sb1.5Te3/In2Te5復(fù)合熱電材料。通過合理控制實(shí)驗(yàn)條件，利用銦元素的多價(jià)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)材料電、熱輸運(yùn)特性的協(xié)同調(diào)控。其次，通過在碲化鉍基體中摻雜SnTe制備了Bi0.5Sb1.5Te3/SnTe固溶合金熱電材料，進(jìn)一步研究區(qū)域熔煉與放電等離子燒結(jié)相結(jié)合的制備工藝，對所制備的Bi0.5Sb1.5Te3/SnTe固溶合金熱電

3、材料性能的影響規(guī)律。最后，在上述試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，優(yōu)選出性能較好的Bi0.5Sb1.5Te3/In2Te5復(fù)合熱電材料，與商用N型碲化鉍基材料組裝成熱電器件并測定其性能。主要研究結(jié)果如下：
　　1．在Bi0.5Sb1.5Te3基體材料中添加InSb，制備Bi0.5Sb1.5Te3/In2Te5復(fù)合熱電材料。利用InSb中In元素的多價(jià)態(tài)特性，在InSb與基體發(fā)生置換過程中，在Bi0.5Sb1.5Te3基體中析出In2Te5第二相。研

4、究發(fā)現(xiàn)，多種尺寸的第二相、晶界對不同平均自由程的聲子進(jìn)行散射，有效地降低了晶格熱導(dǎo)率，InSb的引入同時對能帶工程進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)能帶簡并，促使本征激發(fā)溫度向高溫區(qū)偏移。
　　2．由于能帶工程的調(diào)控，使得 Seebeck系數(shù)在300-550K間隨溫度的升高而增加。同時，載流子濃度的大幅提高有利于電學(xué)性能的優(yōu)化，基于上述電、熱輸運(yùn)特性的協(xié)同調(diào)控，InSb的引入極大地提高了復(fù)合材料在中低溫區(qū)的ZT值。在550K時，其ZT峰值高達(dá)1.14

5、，提高至原來基體材料（ZT=0.38）的3倍。
　　3.在碲化鉍基熱電材料中摻雜SnTe，采用區(qū)域熔煉工藝制備Bi0.5Sb1.5Te3/SnTe固溶合金熱電材料。SnTe在基體中引入大量結(jié)構(gòu)缺陷，調(diào)節(jié)載流子濃度；同時，結(jié)構(gòu)缺陷的引入有效地增強(qiáng)聲子散射，降低材料晶格熱導(dǎo)率；同時，能帶簡并和固溶合金的形成分別使得塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的都有較大幅度的增加；最終使得材料的在550K時 ZT值提升至0.7，較基體材料（ZT=0.38）提高了

6、近一倍。
　　4.選用性能最佳組分設(shè)計(jì)的Bi0.5Sb1.5Te3/SnTe固溶合金樣品，粉碎、過篩、進(jìn)行放電等離子燒結(jié)（SPS），由于粉碎引入大量界面，增強(qiáng)載流子和聲子散射，進(jìn)一步地降低材料的熱導(dǎo)率；同時，使得電導(dǎo)率有一定幅度的降低，塞貝克系數(shù)有一定幅度的增加。最終測得材料ZT峰值幾乎不變，但是在300-550K整個測試溫區(qū)，平均ZT值達(dá)到0.56。
　　5.在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選用性能最優(yōu)的P型Bi0.5Sb1.5Te3/