纳米碲化铋基热电材料火焰合成技术研究

发布时间：2020-08-28 21:10

　　夏季汽车自燃事故频发,究其主要原因为夏季高温使得汽车行进间发动机温度过高,引擎盖内热量积蓄,加之油管老化,进而引起汽车自燃,对人身、财产安全构成一定威胁。而热电材料具有低的热导率在物理上能够起到一定隔绝外部辐射热的作用,同时将内部积蓄的热量转化为电能,从而实现引擎盖内进一步降温。热电材料的热电转换效率通过热电优值(ZT)表征。目前,提高ZT值的方法有掺杂、合金和纳米结构化,其主要思路为通过掺杂等改善材料的电子浓度,调节塞贝克系数,进而提高材料电导率;另一思路是通过将块体材料纳米结构化,人为创造晶界,增加晶界处声子散射;此外,纳米材料本身具有的量子限制效应,实现晶体材料晶格热导率的减少,从而提高ZT值。实验已经证明了块体材料的纳米化能够大幅度降低材料热导率。火焰合成技术因其合成的纳米材料具有纯度高,极精细的粒径以及粒径分布窄等优点是目前合成纳米材料的先进技术。本文首先通过CFD商用软件FLUENT结合基于GRI 3.0简化的24种组分20步基元反应的详细燃烧机理对合成前乙烯火焰结构的温度场,速度场以及浓度场进行详细的数值研究;并对影响火焰结构稳定的关键因素进行探讨,从而确定出适合合成碲化铋基合金相材料的条件。通过模拟发现乙烯燃烧的平面滞止火焰结构的稳定性受燃料预混气初始温度和氮气保护气流量的影响巨大。一般情况下,随着燃料预混合气初始温度的增加滞止火焰的平面结构受到破坏,火焰面上移,火焰高温反应区长度增加,且火焰面温度升高;氮气保护气流速度的增加,火焰结构的变化趋势与预混气初始温度增加导致火焰结构的变化相似,对于较高燃空比的燃料预混气来说,氮气保护气流速度的增加能够有效抑制二次焰的产生,且氮气保护气流量在小流量范围内的增加能够增加火焰面温度。此外,本文实验部分在模拟得到的合适条件下通过前驱体液相供给的方式成功合成出了P型纯相BiSbTe合金相纳米材料。实验发现通过改变前驱体浓度能有效控制合成的纳米颗粒的粒径。一般情况下,当供给前驱体浓度较低时合成得到的纳米颗粒的粒径可以控制在5nm以内,且粒径分布极窄。火焰合成得到的纳米颗粒通过在50MPa下冷压成型为块体材料并进行热电性能测试,结果表明当热电材料两端温差为45.7℃时,热电模块的功率密度可达45μW/cm2。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

火焰气,烃类气体,气溶胶,反应机制

径以及粒径分布窄等特性。经过化学反应，达到饱和的产物蒸汽开始形成热力学稳定的逡逑纳米簇。这一过程当中，由于反应区内这些材料（例如二氧化钛）的前驱液蒸汽压较低，逡逑故形成纳米簇的过程中没有能垒。如图１．１所示，一旦形成纳米簇，它们就可以通过异逡逑相成核或通过簇与簇之间的碰撞－聚并进行生长，当纳米簇生长到某个可以称之为颗粒逡逑的尺寸时的颗粒称之为初始颗粒。逡逑如图１．１中蓝色路径，考虑到极快速的成核过程，纳米颗粒产物的形貌的确是由颗逡逑粒间布朗碰撞时间与聚并（陶瓷领域称之为烧结）时间的竞争所确定。如果颗粒间特征逡逑碰撞时间大于烧结时间，颗粒在下一次发生碰撞之前开始聚并形成单分散的纳米球；相逡逑反如果碰撞时间小于特征聚并时间，将会形成链式团聚物。我们知道气相供给火焰合成逡逑己在工业生产煅制二氧化硅，氧化铝和色素二氧化钛中广泛引用。但经济实用的挥发性逡逑前驱体将气相供给气溶胶火焰合成仅限于合成某些氧化物，如氧化硅，氧化铝，氧化钛逡逑以及氧化钒等。逡逑３逡逑

热电材料,电学特性,载流子浓度

Ｇａｓ－ｔｏ－ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ逦Ｉｎｔｒａｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逦Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ逡逑图１．１气溶胶火焰合成经过气相－颗粒，颗粒内反应机制形成纳米颗粒的过程图解【５］逡逑火焰气溶胶合成所用火焰可由小分子烃类气体、氢气或甚至素气体充当燃料。气相逡逑供给气溶胶火焰合成过程包括气态前驱物经过燃烧、分解或热解，通常被认为是一种典逡逑型的气体到颗粒的转化过程。ＶＡＦＳ通过低蒸气压的均相成核或同时包含异相成核，然逡逑后经过初始颗粒间的碰撞与吞并时间竞争进行团聚／生长形成纳米颗粒［６％］。气相产物到逡逑颗粒的转化过程的驱动力由化学和物理两种途径提供：（１）气相前驱物的化学反应；（２）逡逑热蒸汽的冷凝。很显然，火焰气溶胶反应器属于化学途径，因为前驱体蒸汽到产物蒸汽逡逑的转换过程中涉及到化学反应。火焰气溶胶反应器与等离子体、激光或电加热反应器类逡逑似，但不需要为前驱体的转化额外提供能量，因而经济投入较低极具工业放大性［１，９］。气逡逑相供给火焰合成的主要优点是合成的产品具有纯度高、易于控制的结晶度、极精细的粒逡逑径以及粒径分布窄等特性。经过化学反应，达到饱和的产物蒸汽开始形成热力学稳定的逡逑纳米簇。这一过程当中，由于反应区内这些材料（例如二氧化钛）的前驱液蒸汽压较低，逡逑故形成纳米簇的过程中没有能垒。如图１．１所示，一旦形成纳米簇，它们就可以通过异逡逑相成核或通过簇与簇之间的碰撞－聚并进行生长

示意图,实验装置,示意图,超声雾化

２．２实验装置逡逑自组装实验装置由供气系统、气路及流量控制系统、燃烧器、雾化系统、液相基板逡逑沉积系统、循环冷却系统、排烟系统以及检测装置组成，实验装置示意图如图２．１所示。逡逑示意图中并未显示检测装置，实验采用的检测装置包括手持式温度仪和烟气分析仪。整逡逑套滞止火焰发生装置放置于玻璃密封箱内，玻璃密封箱顶部中心与排烟系统相连接。图逡逑中Ｐ表示压力表；１，２，３，４表示四路气流，其中３号气路为氮气保护气流。逡逑ｆ邋２逡逑？逦？邋乙愤逡逑仉丨；＜逦逡逑１－雾化装置；２－排烟系统；３－燃烧器；４－液相基板；５－精密升降台；６－流量控制系统；７－激光片光源逡逑图２．１实验装置示意图逡逑２．２．１前驱液雾化装置逡逑前驱液雾化装置包括超声雾化装置和高灵敏度电子天平组成。超声雾化装置的核心逡逑为超声雾化片，目前市场商用有两种频率１．７ＭＨｚ和２．４ＭＨｚ，雾化片频率越高产出雾逡逑滴水力直径越小，但雾化效率减小。本实验室均采用频率为１．７ＭＨｚ的陶瓷雾化片。雾逡逑化装置结构示意图如图２．２所示。逡逑１３逡逑

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