多納米組元摻雜的Mg2Si基熱電材料的制備及其與Ni-Cu復(fù)合電極的擴(kuò)散連接.pdf

1、熱電材料是用來實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的一種功能材料，采用熱電材料及其技術(shù)制成的器件能實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電和熱電制冷，其相較于傳統(tǒng)發(fā)電和制冷技術(shù)具有環(huán)境污染小、無傳動(dòng)部件以及安全可靠等顯著特點(diǎn)，因此，熱電材料的開發(fā)研究與實(shí)際應(yīng)用具有廣闊前景。
　　Mg2Si基熱電材料作為一種中溫（400~900K）熱電材料，不僅擁有良好的材料性能參數(shù)，而且原料蘊(yùn)藏豐富、價(jià)格低廉，但由于Mg的蒸發(fā)和氧化等問題導(dǎo)致了合成出單一純凈的Mg2Si基熱電材料產(chǎn)品

2、較為困難，因此探索新的、可行的Mg2Si基熱電材料的制備合成方法是目前Mg2Si基熱電材料研究的一個(gè)重要科研方向。此外，由于Mg2Si基熱電材料的熱電性能以及連接應(yīng)用目前還處在相對(duì)較初級(jí)的階段，研究和探索新的有效方法來改善、優(yōu)化和提高其熱電參數(shù)性能以及應(yīng)用連接等技術(shù)也是Mg2Si基熱電材料目前研究的重點(diǎn)努力方向。
　　本文針對(duì)Mg2Si基熱電材料研究中存在的上述問題，首先采用MgH2、納米Si粉和Sn粉，通過FAPAS一步合成法制

3、備Mg2Si基熱電材料，對(duì)其合成過程可行性進(jìn)行探索，較好地解決了傳統(tǒng)制備方法存在的反應(yīng)溫度高、Mg的氧化揮發(fā)嚴(yán)重和成分難以控制等問題。在此基礎(chǔ)上，利用硅納米線和Mg2Si納米晶與Mg2Si材料進(jìn)行復(fù)合，結(jié)合大直徑Bi原子摻雜實(shí)現(xiàn)對(duì)其熱電性能的解耦優(yōu)化?；跇悠返奈锵唷⑽⒂^結(jié)構(gòu)和熱電傳輸性能之間的關(guān)系，結(jié)合SPB模型對(duì)Mg2Si基熱電材料的熱電傳輸機(jī)制進(jìn)行了分析。最后，針對(duì)溫差發(fā)電器件的輸出電極的應(yīng)用問題，研究了Mg2Si-Cu/Ni復(fù)合

4、導(dǎo)流電極的擴(kuò)散連接，分析了不同工藝下的連接界面擴(kuò)散層形貌及其形成規(guī)律，研究了其熱電接觸性能、力學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性。其主要研究結(jié)果如下：
　?。?）實(shí)現(xiàn)了以MgH2為原料，采用一步合成法（FAPAS）同步完成Mg2Si基熱電材料的固相反應(yīng)和粉體致密化過程。少量納米Si顆粒和1％Bi的摻入可有效提高M(jìn)g2Si基材料的電導(dǎo)率并降低其熱導(dǎo)率，通過固溶改性和Bi的摻雜優(yōu)化，其熱電性能在770K時(shí)，2at.%Bi摻雜的Mg2Si0.6Sn0.

5、4樣品獲得了最大ZT值1.29；對(duì)摻雜樣品的退火處理研究表明所有樣品都具有較好的穩(wěn)定性。
　?。?）通過化學(xué)刻蝕和外混的方法成功制備出了Mg2Si-SiNW復(fù)合材料，研究通過引入SiNW解除本征Mg2Si材料的電參數(shù)之間耦合的可能性，探索了提高樣品的熱電性能的新途徑。研究發(fā)現(xiàn)SiNW的引入可以有效改善本征Mg2Si材料的熱電性能，但Bi元素的摻雜弱化了SiNW在本征Mg2Si材料中的能量過濾效應(yīng)和對(duì)聲子的散射效應(yīng)。微納復(fù)合Mg2S

6、i材料中的載流子傳輸存在選擇性，且隨著微米晶含量的增加，載流子的遷移率增加；隨著納米晶含量的增加，樣品熱導(dǎo)率下降。
　?。?）SPB模型在分析熱電材料傳輸性機(jī)制和優(yōu)化熱電性能方面具有指導(dǎo)意義。本研究將此模型應(yīng)用于Bi摻雜Mg2Si基樣品中，對(duì)其熱電傳輸機(jī)制進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，樣品的ZT值與簡(jiǎn)約費(fèi)米能級(jí)有關(guān)，最佳η值在能帶邊緣，其值與有效質(zhì)量、遷移率互相關(guān)聯(lián)。Bi摻雜Mg2SiSiNW0.005樣品的最佳載流子濃度隨溫度升高而增

7、大，而當(dāng)溫度升至775K時(shí)，由于受其它能帶結(jié)構(gòu)的影響樣品的實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)高于理論值。而一步合成Mg2Si0.6Sn0.4Bix樣品的最佳ZT值隨載流子濃度的增加先增大后減小，最佳載流子濃度保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，當(dāng)溫度為775K，載流子濃度達(dá)到1×1020cm-3時(shí)，樣品將獲得最高ZT值。
　?。?）采用一步合成法實(shí)現(xiàn)了Mg2Si的合成及其與Cu/Ni復(fù)合導(dǎo)流電極的同步連接，研究了不同合成溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)界面結(jié)構(gòu)及新相形成規(guī)律的影