论文部分内容阅读
中温区域(500-900K)热电材料可适用于汽车尾气、工厂余废热等低品位热源的热电发电回收利用，有望大幅提高化石能源的利用率，其研究和开发对我国节能减排具有重要的战略意义。Mg2(Si，Sn)基热电材料，是一类适用于中温区的环境友好型热电材料，具有原料蕴藏丰富、价格低廉、不含有稀缺昂贵元素、组成元素无毒以及比重小等优点，近年来其研究受到国际上的广泛关注。目前，Mg2(Si，Sn)基热电材料的最大热电优值(ZT)约为1.0左右，若实现其大规模应用，热电性能还有待于进一步提高。本文采用熔炼-熔体快淬-放电等离子烧结(SPS)相结合的技术制备了Mg2(Si0.4Sn0.6)Bix(0≤x≤0.04)和Mg2(Si0.4Sn0.6)Sbx(0≤x≤0.025)两个系列固溶体，并系统研究了其微观结构、热电性能及热稳定性。 实验结果表明，采用熔炼-熔体快淬-SPS相结合技术能够成功制备出n型传导的Mg2(Si0.4Sn0.6)Bix(0≤x≤0.04)系列固溶体。其XRD图谱表明各样品均为单相固溶体，从背散射电子衍射分析结果可以发现，固溶体内除了Mg2(Si0.4Sn0.6)基体相外，还存在富Mg2Si相和富Mg2Sn相。TEM分析结果表明该工艺制备的Mg2(Si0.4Sn0.6)Bix固溶体含有由微米尺度晶粒和纳米尺度的纳米相构成的纳米复合结构，纳米相尺度约为10-20nm，这种多尺度的复合结构可以大幅度降低材料的晶格热导率。Bi掺杂有效优化了Mg2(Si，Sn)基热电材料的电、热输运性能，热电性能与掺杂元素Bi的含量密切相关，未掺杂样品的电输运呈现半导体输运特性，掺杂样品呈现金属输运特性，Seebeck系数的绝对值随着Bi掺杂量的增加先减小后增大，功率因子得到显著提高。Bi掺杂引起的晶格畸显降低了样品的晶格热导率。在纳米复合结构和Bi掺杂的共同作用下，Mg2(Si0.4Sn0.6)Bix(0≤x≤0.04)固溶体的热电性能得到明显改善，其中当Bi掺杂量x=0.02时，Mg2(Si0.4 Sn0.6)Bi0.02成分样品具有最大的ZT值，并在573K附近取得最大值约为1.20。 同样采用上述制备技术，成功制备出了Mg2(Si0.4Sn0.6)Sbx(0≤x≤0.025)系列固溶体。其XRD图谱也表明各样品均为单相固溶体。TEM分析结果表明:该工艺制备的Mg2(Si0.4Sn0.6)Sbx固溶体同样具有由中尺度晶粒和纳米尺度的纳米相构成的纳米复合结构，纳米相尺度为10-20nm，这种多尺度的复合结构大大降低了材料的晶格热导率。Sb掺杂也可以有效优化Mg2(Si，Sn)基热电材料的电、热输运性能，同样在纳米复合结构和Sb掺杂的共同作用下，Mg2(Si0.4Sn0.6)Sbx(0≤x≤0.025)固溶体的热电性能得到明显改善，其中当Sb掺杂量x=0.02时，Mg2(Si0.4Sn0.6) Sb0.02成分样品具有最大的ZT值，并在723K附近取得最大值约为1.25。 在上述研究基础基础上，对热电性能优异的Mg2(Si0.4Sn0.6)Bi0.03和Mg2(Si0.4Sn0.6)Sb0.02两成分固溶体样品进行了包括物相组成以及热电性能的热稳定性研究。将样品在673K真空环境下热处理10天后进行热分析、物相组成以及热电性能测试，DSC、TG测试结果表明两个固溶体在500℃以下成分保持稳定。热电性能测试结果表明，热处理后样品的综合电性能发生了小幅度变化，热性能基本未发生变化，材料的热电优值基本保持恒定不变或略有升高。由此可见，具有纳米复合结构的Mg2(Si0.4Sn0.6)Bi0.03、Mg2(Si0.4Sn0.6)Sb0.02热电材料同时具有良好的热电性能和热稳定性，可用于500-800K温度范围内的热电发电。