新型熱電材料half-Heusler合金和Zintl相的制備和性能優(yōu)化.pdf

1、能源危機和環(huán)境惡化日益嚴(yán)重,新能源的探索和開發(fā)迫在眉睫。新的能源轉(zhuǎn)換形式依然是目前科學(xué)家研究的重點。熱電材料可以實現(xiàn)熱能和電能之間直接轉(zhuǎn)換,有著廣泛的應(yīng)用前景。但其較低的能量轉(zhuǎn)換效率制約了其大規(guī)模應(yīng)用。研究和開發(fā)新型熱電化合物是目前熱電材料研究的一個重要方向。Half-Heusler合金和Zintl相化合物是兩類新型的高溫?zé)犭姴牧?。本文以half-Heusler合金中的ZrNiSn基合金和Zintl相中的YbZn2Sb2和Yb14MnS

2、b11基化合物為研究對象,針對這些材料存在的問題,研究材料的制備工藝,組織結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系,獲得以下主要研究成果。
　　 1.采用新的制備方法,快速制備ZrNiSn基合金和Yb14MnSb11化合物。通過懸浮熔煉技術(shù)結(jié)合放電等離子體燒結(jié),制備出單相組織結(jié)構(gòu)均勻的ZrNiSn基合金。通過改進(jìn)的感應(yīng)熔煉技術(shù)制備Yb14MnSb11基化合物,在2200℃熔煉試樣,極高的溫度減少了第二相的生成,縮短了制備時間。
　　 2.S

3、b元素?fù)诫s優(yōu)化ZrNiSn基合金試樣的載流子濃度,Sb原子摻雜量2％時試樣具有最佳的熱電性能。Ti和Hf取代部分Zr制備ZrNiSn基固溶體,通過質(zhì)量波動散射和應(yīng)力場散射,降低了晶格熱導(dǎo)率。但是Ti取代試樣中存在第二相,且Ti含量較大時難以形成完全的固溶體,第二相的存在影響了材料的熱電性能。Hf取代部分Zr得到了單相的ZrNiSn基固溶體合金,Hf0.6Zr0.4NiSn0.98Sb0.02試樣具有最高的熱電優(yōu)值,1000 K時其ZT值

4、為1.0。
　　 3.快速凝固制備ZrNiSn基合金,細(xì)化晶粒增加晶界散射,降低晶格熱導(dǎo)率。熔體旋甩(MS)制備試樣的晶粒尺寸在亞微米級,亞微米級晶粒中鑲嵌了納米級析出物,析出物為偏金屬性的(Hf+Zr)Ni2Sn相。懸浮熔煉(LM)和MS制備的試樣的成分一致,原子比為:(Hf+Zr):Ni:(Sn+Sb)≈1:1.06:1。MS過程中生成的金屬性納米第二相使MS試樣的載流子濃度高于同成分LM試樣的載流子濃度。合金散射和晶界散射

5、都降低了ZrNiSn基合金的晶格熱導(dǎo)率.在50K以下,晶界散射對晶格熱導(dǎo)率降低起主導(dǎo)作用。低于100K時,晶界散射使晶格熱導(dǎo)率降低20％以上;150K以上時,使晶格熱導(dǎo)率降低5％-20％。在高溫時(900 K),晶界散射對晶格熱導(dǎo)率降低的效果依然存在。細(xì)化晶粒后,Hf固熔和Sb摻雜的試樣Hf0.6Zr0.4NiSn0.98Sb0.02和Hf0.5Zr0.5NiSn0.9gSb0.02試樣具有好的熱電優(yōu)值,分別達(dá)到0.9和0.85。

6、>　　 4.Mn取代Zn制備YbZn2-xMnxSb2固溶體。隨著Mn含量的增加,試樣的電導(dǎo)率降低,載流子濃度降低。由于電子熱導(dǎo)率降低,試樣的總體熱導(dǎo)率下降。Mn含量為0.1的試樣具有最大的ZT值,在726 K時0.65,提高了34％。Al取代Zn制備YbZn2-zAlzSb2固溶體,隨著Al含量的增加,載流子濃度降低,電導(dǎo)率降低;室溫時試樣的Seebeck系數(shù)均高于基體;熱導(dǎo)率與基體基本相同。Sb位的Te和Bi摻雜使試樣的ZT值有所

7、增加。
　　 5.制備Mn和Sb過量的偏化學(xué)計量比Yb14MnSb11化合物,優(yōu)化材料的載流子濃度。過量Mn有利于抑制Yb4Sb3第二相的生成。Yb14Mn1.05Sb11試樣具有最好的熱電性能,在700 K時為0.35,提高了40％左右。Lu摻雜Yb位制備Ybl4-xLuxMn1.05Sb11化合物,摻雜后試樣的載流子濃度上升,電導(dǎo)率上升,Seebeck系數(shù)下降;Lu摻雜在晶體中引入了更多的點缺陷,聲子散射增強,使試樣的晶格熱