定向凝固Mg 2 (Si,Sn)基热电材料组织与性能研究
发布时间：2023-03-29 22:19
热电材料是一种可以实现热能和电能的相互转换的新型功能材料,由于其无污染、无噪音、可靠性高和反应灵敏等优点在航空航天、温差发电和制冷等领域有广泛的应用前景。Mg2(Si,Sn)中温热电材料的成本低廉且无毒无污染,近年来受到极大的关注,但由于Mg元素极易挥发和氧化,以及原料中各元素极大的熔点差导致其合成和制备非常困难。针对这一问题,本文采用部分熔化的高温度梯度区熔定向凝固方法进行探索,在平界面凝固下获得高质量的单相Mg2(Si,Sn)晶体,并结合第一性原理计算对载流子输运特性进行研究并预测最优热电性能,为制备高性能的Mg2(Si,Sn)基热电材料提供理论依据和可靠方法。研究中先对简单的二元Mg2Sn合金定向凝固工艺参数、凝固机理、晶体生长特性和微观组织形貌进行探讨,同时结合第一性原理计算对Mg2Sn单晶的电子结构、力学性能、热力学和动力学参数,以及其传导方式的各向异性进行研究。基于二元Mg2Sn合金的研究结果,对不同成分下Mg2Si
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
论文的主要创新与贡献
物理量名称及符号表
第1章 绪论
1.1 热电原理基础简介
1.1.1 热电效应
1.1.2 热电性能及其参数
1.2 热电材料及其研究进展
1.2.1 热电材料简介
1.2.2 热电材料的研究进展
1.3 热电材料的制备及性能优化
1.3.1 热电材料的主要制备方法
1.3.2 提高热电材料性能的途径
1.4 Mg2BⅣ基热电材料
1.4.1 Mg2BⅣ基热电材料简介
1.4.2 Mg2(Si,Sn)基热电材料研究进展
1.5 研究意义和主要内容
1.5.1 研究意义
1.5.2 研究的主要内容
第2章 实验和第一性原理计算方法
2.1 合金系和成分选择
2.2 材料制备工艺
2.2.1 真空感应熔炼
2.2.2 定向凝固实验
2.3 凝固试样处理和微观组织分析测试
2.3.1 凝固试样处理
2.3.2 相成分的分析及晶格参数测定
2.4 热电性能测试
2.4.1 Seebeck系数和电导率
2.4.2 Hall系数
2.4.3 热导率
2.5 第一性原理计算
2.5.1 晶胞构建和几何优化
2.5.2 电子结构和电子密度分布
2.5.3 弹性常数和晶格热力学参数计算
2.5.4 电子传输性能
2.5.5 计算软件简介
第3章 Mg2Sn合金定向凝固与微观组织
3.1 定向凝固温度梯度
3.1.1 温度梯度的测量方法
3.1.2 定向凝固温度梯度测定
3.2 Mg2Sn合金定向凝固
3.2.1 金属间化合物溶质分凝特性
3.2.2 Mg2Sn合金临界转变速率
3.3 定向凝固Mg2Sn微观组织和热电性能分析
3.3.1 定向凝固微观组织
3.3.2 微观组织对热电性能的影响
3.4 本章小结
第4章 Mg2Sn晶体电子结构和热电性能各向异性研究
4.1 Mg2Sn电子结构第一性原理计算
4.1.1 晶体结构优化
4.1.2 能带结构和态密度
4.1.3 电子密度分布
4.2 Mg2Sn力学性能和晶格热力学计算
4.2.1 弹性性能
4.2.2 晶格热力学计算
4.3 Mg2Sn单晶热电性能各向异性
4.3.1 微观组织和取向分析
4.3.2 电子传输性能测试结果
4.3.3 OCSR现象分析
4.3.4 Seebeck系数各向异性分析
4.3.5 热导率和热电优值
4.4 本章小结
第5章 Mg2Si1-xSnx合金能带收敛和热电性能预测
5.1 超晶胞的构建和能带收敛理论
5.1.1 Mg2Si1-xSnx超晶胞和几何优化
5.1.2 能带和态密度计算
5.1.3 能带收敛理论分析
5.2 电子传输性能计算
5.2.1 Boltzmann方程求解
5.2.2 Fermi能级对电子传输性能的影响
5.2.3 掺杂浓度对电子传输性能的影响
5.2.4 不同温度下热电性能预测
5.3 本章小结
第6章 Mg2Si1-xSnx单晶热电性能的研究
6.1 未掺杂Mg2Si1-xSnx单晶组织和成分分析
6.1.1 Mg2Si1-xSnx定向凝固微观组织
6.1.2 微观组织成分分析
6.1.3 晶格常数计算
6.2 未掺杂Mg2Si1-xSnx单晶热电性能
6.2.1 Seebeck系数
6.2.2 电导率和功率因子
6.2.3 热导率和ZT值
6.3 Sb掺杂Mg2Si0.35Sn0.65单晶成分和取向分析
6.3.1 微观组织和成分分析
6.3.2 晶体取向分析
6.4 Sb掺杂Mg2Si0.35Sn0.65单晶热电性能分析
6.4.1 电导率和Seebeck系数
6.4.2 Seebeck系数各向异性分析
6.4.3 功率因子和热电优值
6.5 本章小结
结论
参考文献
致谢
攻读博士期间发表的学术论文
本文编号：3774601
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
论文的主要创新与贡献
物理量名称及符号表
第1章 绪论
1.1 热电原理基础简介
1.1.1 热电效应
1.1.2 热电性能及其参数
1.2 热电材料及其研究进展
1.2.1 热电材料简介
1.2.2 热电材料的研究进展
1.3 热电材料的制备及性能优化
1.3.1 热电材料的主要制备方法
1.3.2 提高热电材料性能的途径
1.4 Mg2BⅣ基热电材料
1.4.1 Mg2BⅣ基热电材料简介
1.4.2 Mg2(Si,Sn)基热电材料研究进展
1.5 研究意义和主要内容
1.5.1 研究意义
1.5.2 研究的主要内容
第2章 实验和第一性原理计算方法
2.1 合金系和成分选择
2.2 材料制备工艺
2.2.1 真空感应熔炼
2.2.2 定向凝固实验
2.3 凝固试样处理和微观组织分析测试
2.3.1 凝固试样处理
2.3.2 相成分的分析及晶格参数测定
2.4 热电性能测试
2.4.1 Seebeck系数和电导率
2.4.2 Hall系数
2.4.3 热导率
2.5 第一性原理计算
2.5.1 晶胞构建和几何优化
2.5.2 电子结构和电子密度分布
2.5.3 弹性常数和晶格热力学参数计算
2.5.4 电子传输性能
2.5.5 计算软件简介
第3章 Mg2Sn合金定向凝固与微观组织
3.1 定向凝固温度梯度
3.1.1 温度梯度的测量方法
3.1.2 定向凝固温度梯度测定
3.2 Mg2Sn合金定向凝固
3.2.1 金属间化合物溶质分凝特性
3.2.2 Mg2Sn合金临界转变速率
3.3 定向凝固Mg2Sn微观组织和热电性能分析
3.3.1 定向凝固微观组织
3.3.2 微观组织对热电性能的影响
3.4 本章小结
第4章 Mg2Sn晶体电子结构和热电性能各向异性研究
4.1 Mg2Sn电子结构第一性原理计算
4.1.1 晶体结构优化
4.1.2 能带结构和态密度
4.1.3 电子密度分布
4.2 Mg2Sn力学性能和晶格热力学计算
4.2.1 弹性性能
4.2.2 晶格热力学计算
4.3 Mg2Sn单晶热电性能各向异性
4.3.1 微观组织和取向分析
4.3.2 电子传输性能测试结果
4.3.3 OCSR现象分析
4.3.4 Seebeck系数各向异性分析
4.3.5 热导率和热电优值
4.4 本章小结
第5章 Mg2Si1-xSnx合金能带收敛和热电性能预测
5.1 超晶胞的构建和能带收敛理论
5.1.1 Mg2Si1-xSnx超晶胞和几何优化
5.1.2 能带和态密度计算
5.1.3 能带收敛理论分析
5.2 电子传输性能计算
5.2.1 Boltzmann方程求解
5.2.2 Fermi能级对电子传输性能的影响
5.2.3 掺杂浓度对电子传输性能的影响
5.2.4 不同温度下热电性能预测
5.3 本章小结
第6章 Mg2Si1-xSnx单晶热电性能的研究
6.1 未掺杂Mg2Si1-xSnx单晶组织和成分分析
6.1.1 Mg2Si1-xSnx定向凝固微观组织
6.1.2 微观组织成分分析
6.1.3 晶格常数计算
6.2 未掺杂Mg2Si1-xSnx单晶热电性能
6.2.1 Seebeck系数
6.2.2 电导率和功率因子
6.2.3 热导率和ZT值
6.3 Sb掺杂Mg2Si0.35Sn0.65单晶成分和取向分析
6.3.1 微观组织和成分分析
6.3.2 晶体取向分析
6.4 Sb掺杂Mg2Si0.35Sn0.65单晶热电性能分析
6.4.1 电导率和Seebeck系数
6.4.2 Seebeck系数各向异性分析
6.4.3 功率因子和热电优值
6.5 本章小结
结论
参考文献
致谢
攻读博士期间发表的学术论文
本文编号：3774601
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3774601.html
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