新型Half-Heusler化合物基熱電材料計算設(shè)計及其熱電效應(yīng).pdf

1、為了提高熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步提高其熱電性能，滿足熱電材料高電導(dǎo)率、高 Seebeck系數(shù)和低熱導(dǎo)率的要求，本文采用材料計算設(shè)計的方法對新型 Half-Heusler化合物基熱電材料體系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對所設(shè)計的材料體系進(jìn)行了制備和表征，從實驗上驗證了優(yōu)化結(jié)論的正確性。
　　基于第一性原理方法，使用Material Studio4.0計算軟件的CASTEP模塊首先計算了19種Half-Heusler化合物的晶體結(jié)構(gòu)與電子

2、結(jié)構(gòu)，根據(jù)費米能級附近態(tài)密度的大小和能帶分布規(guī)律，通過分析比較確定了 TiFeSb化合物作為新型Half-Heusler化合物基熱電材料的基體。隨后，從摻雜體系的原子占位、彈性性質(zhì)、電子輸運(yùn)性質(zhì)和聲子輸運(yùn)性質(zhì)等角度出發(fā)，考察了摻雜量為8.33at％的46種摻雜元素對 TiFeSb基熱電材料體系的影響，并選擇了其中一種摻雜體系(Ti0.75Mn0.25)FeSb進(jìn)行實驗驗證。
　　根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，對Mn摻雜的TiFeSb體系進(jìn)行

3、了實驗研究。利用固相反應(yīng)合成和放電等離子體燒結(jié)的方法制備了TiFeSb和(Ti0.75Mn0.25)FeSb兩種塊體材料。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等測試手段對其微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，使用ZEM-3熱電性能測量裝置和激光熱導(dǎo)分析儀對材料的熱電性能進(jìn)行了測試。
　　由于目前尚未有TiFeSb相和(Ti0.75Mn0.25)FeSb相的標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片的相關(guān)報道，所以利用Material Studio4.0軟件的R

4、EFLEX模塊首先計算了這兩種相的理論X射線衍射譜。實驗研究結(jié)果表明，采用850℃固相反應(yīng)144h的前驅(qū)體粉末在800℃、40MPa的壓力下進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)，可以獲得 TiFeSb和(Ti0.75Mn0.25)FeSb塊體材料。實驗測得的X射線衍射譜與模擬計算的理論衍射譜可以獲得很好的對應(yīng)，且晶格常數(shù)實驗值與計算值的相對誤差小于0.3%，說明計算模型和參數(shù)選擇合理。組織結(jié)構(gòu)分析表明TiFeSb和(Ti0.75Mn0.25)FeSb相

5、的晶粒內(nèi)部組織呈板條結(jié)構(gòu)，且成分分析結(jié)果與設(shè)計成分相吻合，說明所制備材料達(dá)到了成分設(shè)計要求。熱電性能測試結(jié)果表明，TiFeSb和(Ti0.75Mn0.25)FeSb的Seebeck系數(shù)均為正值，都是 p型熱電材料；50℃時，Mn摻雜的(Ti0.75Mn0.25)FeSb的熱電優(yōu)值 ZT為0.047，與未摻雜的TiFeSb體系的ZT值（0.011）相比，提高了4.27倍。該結(jié)果證實了理論計算過程中所得出的結(jié)論，說明所提出的新型Half-H