Ⅳ-Ⅵ族类高熵合金热电材料的制备及性能研究

发布时间：2019-03-15 17:22

【摘要】：Ⅳ Ⅵ族化合物A~ⅣB~Ⅵ(A~Ⅳ=Ge,Sn,Pb;BⅥ=S,Se,Te)是中温区(400 K~900 K)热电材料,在余热发电方面具有良好的应用前景。本文利用(Sn,Ge,Pb,Ag,Bi)(Te,Se,S)多元素形成的固溶体,产生类似高熵合金(以下直接称为高熵合金)效应而具有较低的热导率这一特点,来进行相关系列合金的制备及热电性能研究,从而提高材料的热电性能。实验采用高频熔炼、淬火、SPS烧结等工艺制备了4个系列合金:(Sn_(0.5)Ge0.4875)_(1-x)PbxTe,Pb_(0.33)Sn_(0.33)Ge0.322Te_(1-x)Sex,Pb_(0.33)Sn_(0.33)Ge0.322Te_(1-x)Sx及(Pb_(0.5)Sn_(0.25)Ge_(0.25)Te)_(1-x)(AgBiTe2)x,在第一个系列合金的基础上,通过掺杂制备了其它三个系列的合金,并分析探讨了不同的掺杂元素对合金的物相组成、微观组织和热电性能的影响,得到以下结论:(1)对(Sn_(0.5)Ge_(0.4875))_(1-x)Pb_xTe(x=0,0.2,_(0.33),_(0.5),0.6,0.8)系列合金研究表明:x=0.2和0.8的合金形成了具有NaCl结构的(Sn,Ge,Pb)Te固溶体高熵合金单相,而x=_(0.33),_(0.5)和0.6的合金包含了(Sn,Ge,Pb)Te固溶体高熵合金主相及立方GeTe微量相,所有的合金均是P型半导体。Pb的加入降低了Sn_(0.5)Ge0.4875Te化合物过高的载流子浓度,从而降低了其载流子热导率。具有低热导率(Sn,Ge,Pb)Te固溶体高熵合金主相及由调幅分解产生的组织有效地散射声子,从而获得了较低的晶格热导率及较高的热电优值,x=_(0.5)合金在773 K获得了最大ZT值1.61。(2)对Se替代Te的Pb_(0.33)Sn_(0.33)Ge0.322Te_(_(1-x))Se_x(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20,_(0.25),0.30)系列合金研究表明:Se替代合金中的部分Te后导致合金从多相向单相(Sn,Ge,Pb)Te固溶体高熵合金转变,x=0.05的合金是由两个具有NaCl结构点阵参数接近的固溶体,(Pb,Sn,Ge)Te和(Sn,Ge,Pb)Te,及GeTe微量相组成,到Se含量为x=0.10时,其中一个NaCl结构的固溶体消失,x=0.15时,合金只保留了(Sn,Ge,Pb)Te固溶体高熵合金单相,合金保持P型半导体特性,微量Se(x=0.10)掺杂使合金的电阻率略有降低,而Seebeck系数略有提高,从而提高了合金的功率因子,同时GeTe微量相和(Sn,Ge,Pb)Te固溶体高熵合金的协同作用显著降低了合金的热导率,提高了合金的热电优值,x=0.1合金在773 K时获得了最高的ZT值1.36。(3)对S替代Te的Pb_(0.33)Sn_(0.33)Ge0.322Te_(1-x)Sx(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20,_(0.25),0.30)系列合金研究表明:少量S替代合金Pb_(0.33)Sn_(0.33)Ge_(0.33)Te中的Te使合金形成了NaCl结构的(Sn,Ge,Pb)Te固溶体高熵合金单相,合金保持p型半导体导电特性,S的替代降低了合金的载流子浓度,增加了迁移率,增加了电阻率及提高了Seebeck系数,整体上降低了热导率,提高了材料的热电优值,x=0.1样品在723 K时获得了最大的ZT值1.07。(4)对AgBiTe_2掺杂的(Pb_(0.5)Sn_(0.25)Ge_(0.25)Te)_(1-x)(AgBiTe2)x(x=1/26,1/21,1/16,1/11)的系列合金研究表明:AgBiTe2的加入,合金形成了(Sn,Ge,Pb,Ag,Bi)Te固溶体高熵合金单相,其包含了更多的固溶原子,具有较低的热导率,随着AgBiTe2掺杂量的增加,合金的点阵参数减小,合金保持p型半导体导电特性,微量AgBiTe2使空穴载流子浓度减小,迁移率增加,进一步增加AgBiTe2掺杂量空穴载流子增加,迁移率降低,掺杂AgBiTe2使合金的电阻率及Seebeck系数增加,载流子热导率降低,x=1/21的合金在673 K时获得了最大的ZT值1.6,虽然与母相的最大ZT值相差不多,但其平均ZT((ZT)ave)为1.03,与母合金的0.68相比有较大的提高。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB34

【参考文献】