通電加壓燒結(jié)制備碲化鉍基熱電材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能研究.pdf

1、熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，在溫差發(fā)電和半導(dǎo)體制冷等領(lǐng)域有著廣泛的商業(yè)應(yīng)用前景。Bi2Te3及其固溶體合金是室溫附近熱電性能最好的熱電材料，近幾十年來已經(jīng)有了較為成熟的發(fā)展。本文以高純單質(zhì)Bi，Sb，Te，Se為原料，采用真空熔煉、破碎、熔融旋甩并結(jié)合自主開發(fā)的通電加壓燒結(jié)(RPS)工藝制備Bi2Te3基熱電材料，研究了制備工藝和名義成份對Bi2Te3基熱電材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響規(guī)律;并探索了制備公斤

2、級P型Bi2Te3基熱電材料的可能性以及塊體樣品的均勻性；另外，本文以市售單晶棒切割廢粉料為原料，通過洗滌、還原、摻雜、熔煉再結(jié)合RPS燒結(jié)，探索了以廢料粉末為原料制備高性能 P型(Bi,Sb)2Te3塊體的可能性。本文研究結(jié)果如下：
　　(1)研究了制備工藝和名義成份對Bi2Te3基熱電材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響規(guī)律。與采用真空熔煉再結(jié)合RPS工藝的樣品相比，采用真空熔煉、熔融旋甩并結(jié)合RPS工藝的樣品具有更低的熱導(dǎo)率。經(jīng)過

3、RPS燒結(jié)塊體相對密度可達(dá)96％以上，證實RPS是一種非常有效的低溫快速致密化技術(shù)。在此工藝條件下制備P型(Bi, Sb)2Te3樣品最優(yōu)成份為Bi0.44Sb1.56Te3，N型Bi2(Te, Se)3最優(yōu)成份為Bi2Te2.7Se0.3，最大ZT值分別為1.17和0.84。與傳統(tǒng)熱壓(HP)和放電等離子燒結(jié)(SPS)相比，由于低投資和高效率使得RPS技術(shù)更適合于實際工業(yè)生產(chǎn)。
　　(2)采用真空熔煉結(jié)合RPS燒結(jié)工藝，成功制備

4、了公斤級P型Bi2Te3基塊體大樣品,樣品尺寸為長×寬×高100×60×26 mm3。對尺寸為長×寬×高50×30×13 mm3的燒結(jié)樣品沿不同方向切割考察樣品的微觀結(jié)構(gòu)及熱電性能。針對樣品5個部位的熱電性能分析表明，熱電性能均勻性較好，電阻率在1.1~1.2×10-5?.m范圍波動，電動勢率在200~220μV/Κ范圍波動，熱導(dǎo)率在1.1~1.3 W/m·K范圍波動，室溫ZT在0.8~1.0范圍波動。
　　(3)以Bi2Te3基

5、單晶棒切片過程中的切割廢粉料為起始原料，通過后續(xù)洗滌、還原、摻雜、熔煉結(jié)合RPS燒結(jié)，成功制備了高性能P型(Bi,Sb)2Te3熱電材料。結(jié)果顯示，通過洗滌，還原和熔煉過程可將切割廢料中的碳、氧元素在一定程度上去除，并未造成廢料中有益元素的損失；適當(dāng)添加高純單質(zhì)Sb, Te可以有效調(diào)節(jié)載流子濃度，其中名義成份為Bi0.44Sb1.56Te3樣品在90℃時獲得最大ZT值1.16。本回收工藝不僅可以普遍適用于制冷元件制備過程中產(chǎn)生的各種廢料