TiNiSn（Bi,Te）Half-Heusler热电材料的微波制备及热电性能研究
发布时间：2021-11-18 21:11
热电材料作为一种绿色环保的功能材料,可以实现热能和电能的直接固态转换,在发电和余热回收方面发挥着关键作用。Half-Heusler合金以其具有较优异的电学性能、机械性能、热稳定性以及各组成元素环保无毒、丰度大等优点,逐渐成为新兴的中高温区热电材料。本文通过微波合成结合微波烧结的工艺制备了TiNiSn基热电材料,并进一步探索了不同微波烧结时间对TiNiSn块体材料的相组成、微观组织及热电性能的影响。利用冷压-微波合成-球磨-二次温压-微波烧结的工艺过程快速制备获取Bi、Te在Sn位掺杂的TiNiSn基块体热电材料。通过XRD、EDS对所获得的热电材料进行物相成分分析,利用SEM等进行微观结构的形貌及尺寸分析,并结合Seebeek系数、电导率、热导率等热电输运参数对块状热电材料进行热电性能的综合评定。最后对比研究了微波烧结时间及Bi、Te掺杂量对TiNiSn基块体的微观组织及热电性能的影响。通过该方法成功制备出高致密度、组织均匀的单相TiNiSn基Half-Heusler高温热电材料,制备时间大大缩短。研究了Sn位不同掺杂量的Bi（x=0.001、0.003、0.005、0.01、0.02...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三大热电效应示意图：(a)塞贝克效应；(b)帕尔贴效应；(c)汤姆逊效应
TiNiSn(Bi,Te)Half-Heusler热电材料的微波制备及热电性能研究6图1.2(a)温差发电机；(b)温差制冷机；(c)温差器件组成示意图作为衡量器件好坏的重要标杆，提升热电器件的转换效率一直是热电工作者共同追求的目标。当该器件工作时，与器件直接相关的几个热转移过程有热电效应、热传导和焦耳热。因此，要想获得一个大的热电转换效率，应该尽可能的满足热转移过程以热电效应为主，降低其他转移过程的热损耗。热电优值被用来作为衡量热电材料的热电性能参数。量纲为K1的Z值越大，热电性能越好。定义为无量纲热电优值如式子1.19所示：zT=α2σkT（1.19）将α2定义为材料的功率因子（PF）。从公式1.19中可以得出，要想保证有较强的热电效应，这就需要要求该热电材料具有一个较大的Seebeek系数。此外，当导热性能较差时，能较容易保持一个较大的温差。因此，要想具备一个大的zT值，该材料除了满足具有大Seebeek系数外，还需要具有较小的热导率以及较高的电导率以便产生较少的焦耳热。提高材料zT值是提高热电器件转化效率的重要途径。众所周知，热电发电机能够实现从热-电能的直接能量转换，简单且可靠。然而，限制其应用的重要原因是由于热电发电机的效率与传统热机相比相对较低。热电模块的转换效率可由式子1.20中决定：η=Thot-TcoldThot1+zTm-11+zTm+(TcoldThot)（1.20）其中，Thot、Tcold和Tm分别指的是是热端的温度、冷端的温度以及平均温度。对于一个给定的温差，提升热电材料的转换效率主要依靠zT值的提升。因此，提高已经现有研究材料的性能以及探索具有固有高zT值的新化合物是热电材料研究中的两大基本思路。然而，由于热电传输参数之间复杂的相互依赖性[28]，同时优化热电传输参数具有
TiNiSn(Bi,Te)Half-Heusler热电材料的微波制备及热电性能研究8一个内在的低的声速（意味着一个低的晶格热导率），是非常有希望显示出一个极好的热电性能。图1.4几种主要的热电材料的zT值随温度的变化：(a)N型半导体材料；(b)P型半导体材料1.4热电材料的研究进展1.4.1热电材料的分类热电材料在分类过程中，根据材料差异可以分为金属间化合物和半导体金属氧化物等；按照样品体态也可以划分为超晶格薄膜和块体热电材料；此外根据其最大的zT值所在的温度区间，也可以根据温度划分。比如按照温度划分的低温区（300-500K）内的Bi2Te3和Sb2Te3，中温区（500-900K）Half-Heusler热电材料以及高温区（>900K）的SiGe都是比较典型的具有优异热电性能的材料。1）传统热电材料作为最先发展的低温区的材料之一，Bi2Te3基固溶体热电材料成为了热电制冷元件主要应用材料。图1.5所示为Bi2Te3的晶体结构[38]。实验研究发现，Bi2Te3在解理面平行面上具有最大的zT值，最大可达1左右。分析原因是由于Bi2Te3属于R-3m空间群，原子层内部通过共价键连接，而层间则是通过分子间作用力结合，具有各向异性的特性[39]。同时掺杂、复合第二相等实验手段的实施，以及如快速等离子烧结法、机械合金化法以及快淬法等[40-43]制备工艺的改善，使得Bi2Te3基热电材料的热电性能得到有效的改善，纳米、超晶格以及薄膜技术的发展使得BiTe合金的zT值突破了2的极限[44]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Half-Heusler热电材料的研究进展[J]. 严潇,袁波. 西华大学学报(自然科学版). 2016(01)
[2]脉冲激光沉积中高能量密度激光密度对Cu2Se热电薄膜成分与性能的影响（英文）[J]. 吕艳红,陈吉堃,D?BELI Max,李宇龙,史迅,陈立东. 无机材料学报. 2015(10)
[3]微波技术在金属材料制备中的应用现状[J]. 彭元东,易健宏,罗述东,李丽娅,陈刚,冉俊铭. 稀有金属材料与工程. 2009(04)
硕士论文
[1]锑掺杂半赫斯勒合金的微波合成及热电性能研究[D]. 程诚.安徽工业大学 2017
本文编号：3503618
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三大热电效应示意图：(a)塞贝克效应；(b)帕尔贴效应；(c)汤姆逊效应
TiNiSn(Bi,Te)Half-Heusler热电材料的微波制备及热电性能研究6图1.2(a)温差发电机；(b)温差制冷机；(c)温差器件组成示意图作为衡量器件好坏的重要标杆，提升热电器件的转换效率一直是热电工作者共同追求的目标。当该器件工作时，与器件直接相关的几个热转移过程有热电效应、热传导和焦耳热。因此，要想获得一个大的热电转换效率，应该尽可能的满足热转移过程以热电效应为主，降低其他转移过程的热损耗。热电优值被用来作为衡量热电材料的热电性能参数。量纲为K1的Z值越大，热电性能越好。定义为无量纲热电优值如式子1.19所示：zT=α2σkT（1.19）将α2定义为材料的功率因子（PF）。从公式1.19中可以得出，要想保证有较强的热电效应，这就需要要求该热电材料具有一个较大的Seebeek系数。此外，当导热性能较差时，能较容易保持一个较大的温差。因此，要想具备一个大的zT值，该材料除了满足具有大Seebeek系数外，还需要具有较小的热导率以及较高的电导率以便产生较少的焦耳热。提高材料zT值是提高热电器件转化效率的重要途径。众所周知，热电发电机能够实现从热-电能的直接能量转换，简单且可靠。然而，限制其应用的重要原因是由于热电发电机的效率与传统热机相比相对较低。热电模块的转换效率可由式子1.20中决定：η=Thot-TcoldThot1+zTm-11+zTm+(TcoldThot)（1.20）其中，Thot、Tcold和Tm分别指的是是热端的温度、冷端的温度以及平均温度。对于一个给定的温差，提升热电材料的转换效率主要依靠zT值的提升。因此，提高已经现有研究材料的性能以及探索具有固有高zT值的新化合物是热电材料研究中的两大基本思路。然而，由于热电传输参数之间复杂的相互依赖性[28]，同时优化热电传输参数具有
TiNiSn(Bi,Te)Half-Heusler热电材料的微波制备及热电性能研究8一个内在的低的声速（意味着一个低的晶格热导率），是非常有希望显示出一个极好的热电性能。图1.4几种主要的热电材料的zT值随温度的变化：(a)N型半导体材料；(b)P型半导体材料1.4热电材料的研究进展1.4.1热电材料的分类热电材料在分类过程中，根据材料差异可以分为金属间化合物和半导体金属氧化物等；按照样品体态也可以划分为超晶格薄膜和块体热电材料；此外根据其最大的zT值所在的温度区间，也可以根据温度划分。比如按照温度划分的低温区（300-500K）内的Bi2Te3和Sb2Te3，中温区（500-900K）Half-Heusler热电材料以及高温区（>900K）的SiGe都是比较典型的具有优异热电性能的材料。1）传统热电材料作为最先发展的低温区的材料之一，Bi2Te3基固溶体热电材料成为了热电制冷元件主要应用材料。图1.5所示为Bi2Te3的晶体结构[38]。实验研究发现，Bi2Te3在解理面平行面上具有最大的zT值，最大可达1左右。分析原因是由于Bi2Te3属于R-3m空间群，原子层内部通过共价键连接，而层间则是通过分子间作用力结合，具有各向异性的特性[39]。同时掺杂、复合第二相等实验手段的实施，以及如快速等离子烧结法、机械合金化法以及快淬法等[40-43]制备工艺的改善，使得Bi2Te3基热电材料的热电性能得到有效的改善，纳米、超晶格以及薄膜技术的发展使得BiTe合金的zT值突破了2的极限[44]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Half-Heusler热电材料的研究进展[J]. 严潇,袁波. 西华大学学报(自然科学版). 2016(01)
[2]脉冲激光沉积中高能量密度激光密度对Cu2Se热电薄膜成分与性能的影响（英文）[J]. 吕艳红,陈吉堃,D?BELI Max,李宇龙,史迅,陈立东. 无机材料学报. 2015(10)
[3]微波技术在金属材料制备中的应用现状[J]. 彭元东,易健宏,罗述东,李丽娅,陈刚,冉俊铭. 稀有金属材料与工程. 2009(04)
硕士论文
[1]锑掺杂半赫斯勒合金的微波合成及热电性能研究[D]. 程诚.安徽工业大学 2017
本文编号：3503618
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