n型Bi-,2-Te-,3-系熱電材料成型與性能研究.pdf

1、熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)電能和熱能之間的直接轉(zhuǎn)換，在某些場(chǎng)合應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。Bi2Te3系材料是當(dāng)前應(yīng)用最廣的熱電材料，主要采用布里奇曼（Bridgman）法制備，但其機(jī)械強(qiáng)度低，易解理。通過(guò)使用先熔煉合金再粉碎熔塊，再用燒結(jié)成型雖可以提高材料機(jī)械加工性能，但是這種方法的工序多、成本高，且材料的熱電性能較低。本文首先綜述了熱電材料的發(fā)展情況，并對(duì)粉末冶金方法制備Bi2Te3系熱電材料做了介紹。機(jī)械合金化是一種制備粉末材料的常用方法，能夠?qū)⒃挤勰?/p>

2、通過(guò)球磨直接合成合金粉末，制備出熔煉法無(wú)法合成的材料，具備低成本的優(yōu)勢(shì)。本文采用機(jī)械合金化方法制備n型Bi2Te3系合金粉末，再利用熱壓方法燒結(jié)成型；為提高材料的熱電性能，對(duì)熱壓樣品進(jìn)行了熱擠壓對(duì)于材料熱電性能的影響的探索性工作。本文首先對(duì)n型Bi2Te3系熱電材料的機(jī)械合金化工藝進(jìn)行了摸索，通過(guò)XRD和DTA分析表明經(jīng)4小時(shí)球磨之后即已獲得單相的Bi2Te3粉末。對(duì)經(jīng)過(guò)機(jī)械合金化處理的合金粉末，進(jìn)行了熱壓成型的工作。發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)溫度的

3、升高，材料熱電性能逐漸升高。斷口分析表明，340℃熱壓樣品尚未充分燒結(jié)。較長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間能夠獲得更好的熱電性能，但是過(guò)長(zhǎng)的溫度反而導(dǎo)致部分晶粒長(zhǎng)大，不利于材料熱電性能的提高，熱壓燒結(jié)4小時(shí)之后的樣品具有最好的熱電性能，能夠獲得的熱電優(yōu)值Z＝1.7×10-3/K。為了改進(jìn)材料的熱電性能，本文選擇了Ag元素和Sn元素進(jìn)行摻雜實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，0.20wt.﹪的Ag摻雜能夠增加材料熱電性能，相比未進(jìn)行摻雜的材料而言，性能從Z＝1.3×10-3

4、/K提高到了1.7×10-3/K。Sn摻雜則對(duì)于熱電性能有負(fù)面影響，因?yàn)檩^高含量的Sn摻雜導(dǎo)致了富Te的第二相的出現(xiàn)，使得材料熱電性能下降。由于粉末冶金方法獲得的Bi2Te3系雖然能夠通過(guò)晶粒細(xì)化提高材料的機(jī)械性能，但是同時(shí)也喪失了熱電性能的各向異性，導(dǎo)致熱電性能的降低。為此，本文嘗試了Bi2Te3系熱電材料的熱擠壓工作。通過(guò)對(duì)變形過(guò)程的受力、塑性成型模擬的應(yīng)力場(chǎng)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的的綜合分析，初步確定了擠壓過(guò)程中影響材料表面質(zhì)量問(wèn)題的主要原

5、因，并對(duì)擠壓過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)熱擠壓材料熱電性能的測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)的分析表明，通過(guò)熱擠壓過(guò)程，能夠獲得具有一定取向的組織結(jié)構(gòu)，材料的功率因子得到提高。為了進(jìn)一步提高材料的熱電性能，本文還對(duì)熱壓樣品和熱擠壓樣品進(jìn)行了退火實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)退火溫度高于450℃時(shí)導(dǎo)致樣品中殘余氣孔的膨脹，致使材料致密度下降很大，熱電性能因此而降低。本文400℃下的熱壓樣品和熱擠壓樣品的退火實(shí)驗(yàn)表明，樣品的熱電性能隨著退火溫度的延長(zhǎng)，表現(xiàn)出“Λ”形的變化趨勢(shì)，18小時(shí)退