SiGe半导体的制备和表征及温差电偶臂尺寸设计

发布时间：2017-07-08 17:20

  本文关键词：SiGe半导体的制备和表征及温差电偶臂尺寸设计

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【摘要】：热电材料可以有效地进行热能与电能直接相互转换,在航天探测、废热利用等领域有着可观的应用前景。其中,SiGe合金有着较好的机械性能、热稳定性和不错的热电性能,已经在航天用的温差热电发电器有所运用,但是存在的主要问题是ZT值不高,目前报道的最高也是1.15@973K,远远低于理论ZT值,从而导致温差发电器的输出功率和转换效率并不高,远远低于传统发电器40%的转换效率。为了解决上述问题,制备高ZT值SiGe合金,设计合适尺寸的温差电偶臂成了必要的手段。本文首先利用机械合金化(高能球磨)的方法制备分别球磨10h、20h、30h、40h和50h的Si80Ge20B5和Si80Ge20P2热电材料合金粉末,利用真空热压烧结的方法来制备块状Si80Ge20b5和Si80Ge20p2合金试样,然后利用XRD、SEM对块状试样进行微观组织性能表征发现,通过球磨p-type和n-type两种合金均完全固溶。同时,随着球磨时间的增加,晶粒尺寸逐渐减小,球磨50h的合金试样晶粒尺寸达到了600nm。最后,对制得的十组试样进行热电性能测试分析可知,随着球磨时间的增加,合金的热导率逐渐减小,主要因为晶粒尺寸减小,晶界逐渐增多,从而加强了对声子的散射；同时,随着球磨时间增加,合金电导率先增加,后减小；最后求得ZT值,p-type SiGe合金在球磨50h时有着最高的ZT值,ZT=0.83@973K；n-type合金在球磨20h时具有最高的ZT值,ZT=1.3@973K。为了确保制得的SiGe合金在高温、长期以及其他复杂条件下的服役稳定性,本文测试和计算了其纳米压痕、维氏硬度、断裂韧性、耐热震性和热稳定性。得到Si80Ge20B5合金试样的弹性模量为197.05GPa,Si80Ge20P2合金试样的弹性模量为182.76GPa,Si80Ge20B5合金试样的纳米压痕硬度为15.77GPa,Si80Ge20p2合金试样的纳米压痕硬度为15.10GPa；同时测了十组试样的维氏硬度,p-type和n-type合金试样的维氏硬度都随着球磨时间的增加而增大,这主要得益于晶粒尺寸减小计算得到断裂韧性:p-type SiGe KIC=2.0MPam1/2, n-type SiGe合金KIC=1.8MPam1/2；耐热震性：p-type RT=455.14W/m, n-type RT=449.56W/m,耐热震性要优于其他热电材料。对p-type和n-type两种合金试样进行TG测试分析,由所得的结果可知,随着温度升高,两种合金均不存在分解和升华的现象,热稳定性很好。为了提高温差发电器的输出功率和转换效率,并且为下一步设计温差发电器做好准备,本文用球磨20h的p-type和n-type合金试样作为温差发电器的PN结,用ANSYS软件模拟和计算臂长、截面积以及负载电阻对输出功率和转换效率的影响,得出当臂长L=2.5mm和横截面面积s=2.5mm2时,有着较搞的输出功率和转换效率,并且当负载电阻RL等于内阻时,输出功率最大。
【关键词】：SiGe 热电材料 高能球磨 热电性能 力学性能 尺寸设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM913;TB34
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 基本效应和定义11-13
• 1.3 热电材料的研究现状13-17
• 1.3.1 低温热电材料13
• 1.3.2 中温热电材料13-14
• 1.3.3 高温热电材料14
• 1.3.4 SiGe合金14-17
• 1.4 热电器件的应用17-18
• 1.5 提高热电优值的方法18-20
• 1.6 本文主要研究内容20-21
• 第2章 试验材料及方法21-25
• 2.1 试验材料及制备21-22
• 2.1.1 试验材料21
• 2.1.2 试验设备21
• 2.1.3 材料的制备21-22
• 2.2 结构表征22
• 2.3 热电性能表征22-24
• 2.4 力学性能测试24-25
• 第3章 球磨时间对Si_(80)Ge_(20)B_5组织结构和性能的影响25-36
• 3.1 引言25
• 3.2 Si_(80)Ge_(20)B_5热电材料XRD图谱25-26
• 3.3 Si_(80)Ge_(20)B_5热电材料断口形貌26
• 3.4 Si_(80)Ge_(20)B_5热电材料的电输运特性26-28
• 3.5 Si_(80)Ge_(20)B_5热电材料的热输运特性28-30
• 3.6 Si_(80)Ge_(20)B_5热电材料无量纲热电优值30-31
• 3.7 力学性能31-34
• 3.8 热稳定性34-35
• 3.9 本章小结35-36
• 第4章 球磨时间对Si_(80)Ge_(20)P_2组织结构和性能的影响36-47
• 4.1 引言36
• 4.2 Si_(80)Ge_(20)P_2热电材料的XRD图谱36-37
• 4.3 Si_(80)Ge_(20)P_2热电材料的断口形貌37-38
• 4.4 Si_(80)Ge_(20)P_2热电材料的电输运特性38-39
• 4.5 Si_(80)Ge_(20)P_2热电材料的热输运特性39-41
• 4.6 Si_(80)Ge_(20)P_2热电材料无量纲热电优值41-42
• 4.7 力学性能42-45
• 4.8 热稳定性45
• 4.9 本章小结45-47
• 第5章 温差电偶臂尺寸设计47-55
• 5.1 引言47
• 5.2 ANSYS有限元分析47-48
• 5.2.1 ANSYS简介47-48
• 5.2.2 ANSYS分析的基本过程48
• 5.3 温差发电器的主要性能参数48-50
• 5.4 温差电偶臂尺寸设计50-52
• 5.4.1 参数化建模和参数设定50-51
• 5.4.2 仿真结果51-52
• 5.5 温差电偶臂尺寸对温差发电器性能参数的影响52-54
• 5.5.1 截面面积对输出功率和转换效率的影响52-53
• 5.5.2 臂长对输出功率和转换效率的影响53-54
• 5.5.3 负载电阻对输出功率和转换效率的影响54
• 5.6 本章小结54-55
• 结论55-56
• 参考文献56-61
• 致谢61

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本文编号：535558