P型ZrCoSb基half-Heusler化合物热电性能研究

发布时间：2019-05-30 14:49

【摘要】：热电材料作为一种功能材料,其热电效应可以实现热能和电能之间的直接相互转换。热电器件由热电材料制造而成,其具有寿命长、环境友好、应用面广等优点,在功率发电和固态制冷领域具有广泛的应用前景。尽管热电器件具有诸多优点,但是其热电转换效率低,成为制约热电器件大规模应用的最主要因素。热电器件的转换效率主要由材料本身的热电性能(ZT值)决定,因此,提高热电材料的ZT值已是当务之急。本文采用电弧熔炼结合快速直流热压技术制备了p型ZrCoSb基half-Heusler化合物。通过对基体晶格进行等电子及非等电子取代,优化了体系的功率因子,降低了晶格热导率,从而使材料的ZT值得到了优化。获得了以下主要研究结果:(1)采用Sn对ZrCoSb half-Heusler化合物的Sb位进行取代实验研究,发现随着Sn含量的增加,体系的室温晶格热导率急剧下降,其中ZrCoSb0.65Sn0.35的室温晶格热导率降低到4.9 W m-1 K-1。进一步计算了体系的应力场波动系数和质量波动系数,发现应力场波动系数远远大于质量波动系数,说明应力场波动散射是造成晶格热导率下降的主要原因。同时由于Sn和Sb之间价电子数的差别,体系的功率因子得到了优化。最终,ZrCoSb0.7Sn0.3样品获得了最优的热电性能,其ZT值在973 K时达到了0.52。(2)采用Fe部分取代ZrCoSb0.7Sn0.3 half-Heusler化合物的Co位,发现随着Fe含量的增加材料的电导率显著增加,而其塞贝克系数迅速减小。由于Fe和Co原子的质量及尺寸存在差异,在晶格中引起了质量波动及应力场波动,加强了声子散射,使样品的晶格热导率有所减小。最终,ZrCo0.95Fe0.05Sb0.7Sn0.3在973 K时的ZT值最大,为0.53。(3)对ZrCoSb half-Heusler化合物的Zr位进行Yb取代实验研究。结果表明,Yb在体系中充当受主杂质,使Zr1-x YbxCoSb(x≥0.1)样品的电导率随着Yb含量的增加逐渐升高,而样品的塞贝克系数随着Yb含量的增加而下降,其中Zr0.9Yb0.1CoSb样品的功率因子在整个测试温度范围内最高。由于Yb,Zr原子间的合金散射效应,使得体系的晶格热导率急剧减小。最终,Zr0.9Yb0.1CoSb样品在873 K时ZT值最大,为0.2。(4)采用Ti部分取代了ZrCoSb0.7Sn0.3 half-Heusler化合物的Zr位,结果表明,小尺寸的Ti在体系中作为点缺陷,加强了空穴的散射,从而降低了体系的电导率,提高了塞贝克系数。由于Ti,Zr原子质量及尺寸差异引起的合金散射,使样品的晶格热导率有所减小。最终,Zr0.7Ti0.3CoSb0.7Sn0.3样品在973 K时取到了最大ZT值,为0.61。
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【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB34

【参考文献】