Bi-Te-Se熱電材料的制備和性能優(yōu)化.pdf

1、熱電材料能實現(xiàn)電能和熱能之間的直接轉(zhuǎn)換,被廣泛應用于熱電制冷和發(fā)電。Bi2Te3基熱電材料具有較高的電性能和較低的熱導率,是室溫附近熱電性能最好的熱電材料。工業(yè)生產(chǎn)中應用的Bi2Te3基材料是區(qū)熔法制備的取向多晶材料,機械性能差,易解理,生產(chǎn)成本較高。本文采用了快速凝固和熱鍛兩種工藝制備高性能的N型多晶Bi2Te3基熱電材料。
　　 除了細化晶粒,快速凝固還可以通過抑制包晶反應的進行來使Bi2Te3熔體在冷卻過程中避免產(chǎn)生BiT

2、e和Bi2Te等非連續(xù)固溶相,從而可以使材料保持物相的均一性。本文首先將熔煉得到的鑄錠粉碎后熱壓燒結制備了Bi2Te2.4Se0.6多晶塊體材料。相對利用爐冷鑄錠制備的樣品,利用液氮快淬鑄錠制備的樣品的熱導率大為降低,其晶格熱導率在測試溫度范圍內(nèi)保持在0.42～0.51 Wm-1K-1之間,最大ZT值為0.87,較利用爐冷鑄錠制備的樣品提高了26％。然后采用液氮快淬和甩帶兩種快速凝固工藝結合熱壓燒結的方法制備了Bi2Te3-xSex(x

3、=0-1.05)合金,熱電性能測試結果發(fā)現(xiàn)熱導率對由組分變化引起的合金散射更敏感。斷面照片顯示樣品的顆粒尺寸小于3μm,利用液氮快淬結合熱壓燒結制備的Bi2Te2.1Se0.9合金和甩帶結合熱壓燒結制備的Bi2Te2.25Se0.75合金的熱電優(yōu)值均達到了0.95。
　　 Bi2Te3基熱電材料的熱電性能既受晶粒大小的影響,也受微觀晶粒取向程度即織構強弱的影響。本文分別了制備了直徑為12.7 mm、厚度為1～2 mm的熱壓和熱鍛

4、塊體樣品,分析了其微觀結構和熱電性能的變化關系。XRD圖譜顯示熱鍛樣品的(00l)面較熱壓樣品峰強顯著增強,二次熱鍛樣品的取向因子高達0.52,而熱壓樣品和一次熱鍛樣品的取向因子分別為0.18和0.31。斷面FESEM照片顯示熱二次鍛樣品的顆粒取向后成明顯的層狀排列,這與XRD結果一致。變形過程中產(chǎn)生的空位和反位缺陷之間的缺陷反應使載流子濃度顯著增加,載流子遷移率也有所增加,使得熱鍛樣品的電導率大幅度提高。
　　 為了研究熱鍛樣

5、品熱電性能的各向異性,利用放電等離子體燒結工藝熱鍛制備了Φ30x10 mm3的大塊樣品。XRD圖譜顯示從徑向平面得到的(00l)峰的強度遠高于軸向平面,結合斷面照片可知材料熱鍛后形成了局部的擇優(yōu)取向,這將對材料熱電性能的各向異性產(chǎn)生重要影響。熱電性能測試結果發(fā)現(xiàn)徑向的最大刀值達到了0.90,不但遠高于軸向測得的數(shù)據(jù),也優(yōu)于文獻報道的區(qū)熔材料的熱電性能。
　　 此外,本文還利用在實驗制備的Φ30×10 mm3的大塊樣品代替區(qū)熔材料