熔體旋甩法制備Zn-,4-Sb-,3-的微結構和熱電性能研究.pdf

1、Zn4Sb3因其較低的熱導率因而具有優(yōu)越的熱電性能，是目前中溫領域熱電性能最好的材料之一。但由于Zn4Sb3體系本身的材料脆性和相轉變引起的微裂紋，降低了材料的機械性能和可加工性。因此探索新的制備工藝，制備出熱電性能和機械性能優(yōu)異的塊體材料是Zn4Sb3體系的研究熱點之一。 本文用熔體旋甩法結合放電等離子燒結(SPS)技術制備出致密無裂紋具有納米結構的Zn4Sb3塊體材料。采用X射線衍射儀(XRD)和場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)

2、對熔體旋甩薄帶、退火薄帶、SPS燒結塊體的物相和微結構進行了分析和表征，測試了塊體材料的熱電傳輸性能和力學性能，研究了塊體材料的物相組成、微結構和材料熱電傳輸性能以及力學性能之間的關系和規(guī)律，得到以下結論： ZmSb3單相母合金熔體旋甩后發(fā)生了分相，薄帶主相為Zn4Sb3、第二相為ZnSb，并含有少量的Zn和Zn3Sb2。在200℃退火30min條件下，薄帶中的第二相ZnSb、Zn3Sb2、Zn能夠發(fā)生化學反應生成單相Zn4Sb

3、3薄帶。溫度為400℃，壓力為30MPa條件下SPS燒結5min能夠得到致密的塊體材料。 熔體旋甩過程中冷卻速率的差異導致了薄帶自由面和接觸面的微結構顯著不同，自由面由尺寸在微米級的Zn4Sb3棒狀晶和富Zn合金顆粒組成，接觸面由晶界清晰晶粒尺寸在50nm-150nm之間的納米顆粒組成。隨著退火溫度的升高，薄帶自由面的富Zn合金顆粒發(fā)生擴散反應而溶入棒狀晶中；薄帶接觸面退火后晶粒尺寸變小，晶粒界面模糊，退火溫度升高至300℃以上

4、時，晶粒開始發(fā)生團聚長大。MS-SPS燒結工藝制備的Zn4Sb3材料斷面形貌為大晶粒和納米晶粒交錯分布，在大晶粒間界處存在大量的納米晶粒富集區(qū)域。 初始化學組成為Zn4.32Sb3時，MS-SPS燒結樣品與熔融樣品相比，電導率降低，Seebeck系數增大，熱導率降低；Cu輥轉速為2000rpm，噴氣壓力為0.02MPa的熔體旋甩薄帶SPS燒結后，在700K具有最大的刀值0.96，比初始化學組成為Zn4Sb3的熔融樣品提高了30％