论文部分内容阅读
新型热电材料的研究一直是新能源材料领域研究的热点问题。近来的研究发现,在商业化应用较广泛的Bi2Te3热电材料晶格中引入第二相化合物形成共溶体合金,或在其晶格中引入少量具有导电、导热特性的纳米颗粒或纳米线,就可提升Bi2Te3晶格费米面附近的能态密度,增加其电导率;同时,少量的其它材料的添加,还可在Bi2Te3晶格中引入更多的界面和缺陷,增加晶格对声子及低能电子的散射,降低材料的热导率。如果将少量具有良好电学特性和机械强度的一维碳纳米管添加进Bi2Te3热电材料晶格中,即可在晶格中构建出三维导电网络,提升材料的导电特性,还可利用均匀弥散在Bi2Te3热电材料晶格中的碳纳米管,在晶格结构中形成大量的界面和生长缺陷,进一步改善材料的热导率,有望制备出ZT值更好的Bi2Te3基复合热电材料。为进一步提升Bi2Te3热电材料的热电性能,本论文从Bi2Te3热电材料的复合及掺杂改性角度出发,采用模具热压烧结法,系统开展了Bi2(Te1-xSex)3固溶体合金复合热电材料、Bi2(Te0.95Se0.05)3掺杂Si C纳米材料后的Si C/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料、Cu掺杂的Cu/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料及多壁碳纳米管（MWCNTs）掺杂的MWCNTs/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料的最佳制备参数及不同掺杂比例对材料热电特性影响的研究。通过对比分析以上4种Bi2Te3基复合热电材料的Seebeck系数和ZT值,找到了制备最优性能Bi2Te3基复合热电材料的制备参数,研究方法具有一定的创新性,研究结果对进一步提升Bi2Te3基复合热电材料的热电特性,进一步拓展Bi2Te3和Bi2Se3半导体热电材料的应用范围都具有重要实用价值。论文主要研究工作如下:（1）采用模具热压烧结法,以高纯Bi2Te3、Bi2Se3粉末为原料,在不同的混合质量百分比条件下,通过将Bi2Se3粉末与Bi2Te3均匀混合,制备了Bi2Te3基的Bi2(Te1-xSex)3固溶体合金复合热电材料,研究了不同制备参数,如:时间、压力、烧结温度对材料烧结质量的影响。并通过正交分析实验,分析了不同Bi2Se3混合质量百分比条件下制备的Bi2(Te1-xSex)3复合热电材料的差热电动势、电导率、热导率、Seebeck系数和热电优值ZT,找到了在Bi2Te3基材中添加Bi2Se3后,使固溶体合金复合热电特性最佳的混合比例。研究表明,在高温热源温度为316K时,制备的不同Bi2(Te1-xSex)3复合热电固溶体合金材料都呈现了n型导电特性,随着Bi2Se3混合质量百分比“x”的变化,制备的复合热电材料的热电特性也随之变化。当x=0.05时,复合热电材料的Seebeck系数最大,约为208.33μV/K,此时,材料的热电特性最佳,其ZT值最大,约为0.89。（2）基于以上Bi2(Te1-xSex)3最佳固溶体复合热电材料的实验结果,采用模具热压烧结法,开展了在Bi2(Te0.95Se0.05)3基材中掺杂不同比例Si C纳米材料,制备Si C/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料的制备及热电特性分析工作,研究了不同Si C掺杂质量百分比对Si C/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料热电特性的影响,分析了不同Si C/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料样品的表面形貌、晶格结构和物相成份。研究发现,在高温热源温度为316K条件下,当Si C掺杂质量百分比为0.0004时,制备的Si C/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料具有较大的Seebeck系数,为292.07μV/K;同时,其热电优值ZT也最大,约为0.973。（3）基于以上Bi2(Te1-xSex)3最佳固溶体复合热电材料的实验结果,采用模具热压烧结法,通过在Bi2(Te0.95Se0.05)3热电材料中掺杂不同质量百分比的高纯Cu粉,开展了制备不同Cu/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料的制备及特性研究工作。对比分析了不同Cu掺杂条件对Cu/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料的的差热电动势、电导率、热导率、Seebeck系数和热电优值ZT等热电特性的影响。研究表明,当Cu掺杂比例为0.005时,在高温热源温度为316K时,Cu/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料可获得最大的Seebeck系数和最佳的热电优值,分别为294.86μV/K和1.77。这个实验结果,比单纯的Bi2(Te1-xSex)3固溶体合金复合热电材料的ZT值,提高了约1倍。（4）最后,基于以上Bi2(Te0.95Se0.05)3最佳固溶体复合热电材料的实验结果,通过将不同质量百分比的多壁碳纳米管（MWCNTs）掺入Bi2(Te0.95Se0.05)3中,采用模具热压烧结法,开展了MWCNTs/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料的制备及相关热电参数的对比分析研究。通过正交实验分析,优化MWCNTs的掺入比例,在提升Bi2(Te0.95Se0.05)3基体热电材料热电特性的同时,还提升了MWCNTs/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料的机械强度。测试发现,在高温热源温度316K条件下,当MWCNTs掺杂质量百分比为0.003时,制备的MWCNTs/Bi2(Te0.95Se0.05)3复合热电材料具有最大的ZT值,约为1.39。研究结果对提升Bi2Te3基复合热电材料的热电特性,改善Bi2Te3基复合热电材料的机械特性,进一步拓展Bi2Te3基热电材料的应用范围都具有重要价值。