Sb和Al元素对Ni-Co-Mn-Sn系热电合金组织与性能的影响
发布时间：2021-06-13 12:57
在现有的众多热电材料中,半哈斯勒（half-heusler）合金以其独特的优势受到广泛关注。但是,制约此类合金发展的一个主要因素是较高的本征热导率。本文以Ni-Mn-Sn系合金为研究对象,先探究了不同制备工艺对NiMnSn合金微观结构的影响,后分别分析了Sb和Al元素在Sn位的固溶置换对Ni-Co-Mn-Sn基合金组织和热电性能的影响。具体实验结果如下:（1）研究发现,对NiMnSn合金,二次熔炼要比一次熔炼得到的块体合金晶粒更细小,组织排列更有序规则,成分更均匀。熔炼得到的NiMnSn合金晶粒尺寸在微米级,经高能球磨后粉末颗粒尺寸在一百纳米左右。与热压烧结的试样相比,SPS烧结能获得晶粒更细小的合金试样,且烧结效率更高。（2）采用熔炼、球磨和SPS烧结法制备Ni0.8Co0.2MnSn1-xSbx（x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0）和Ni0.8Co0.2MnSn1-xAlx（x=0.2,0.4,0...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平板式热电器件结构示意图[14]
Sb和Al元素对Ni-Co-Mn-Sn系热电合金组织与性能的影响4供热，另一端散热，使两端保持一定的温度差。热端由于受热会激发出更多的载流子且获得更高的动能，进而促使载流子向冷端扩散，最终两端会形成一个平衡，表现为无载流子的宏观迁移，此时半导体的两端会构成一个电动势即塞贝克电动势，电势差的存在会在电路中形成电流，进而引起电灯泡发亮。半导体中电荷的移动伴随着能量和熵的变化。图1.2(b)中，P型和N型半导体串联在一个接有外部电源的闭合回路中，通入电流时，由于电子在不同材料中所处的能级不同，当电子在电场作用下从N型半导体（能级高）流入金属（能级低）时，在界面结合势垒处向下跃迁，宏观上产生放热现象；当电子从P型半导体（能级低）流入金属（能级高）时，会吸收热量向上跃迁，表现为吸热现象，最终会在半导体的一端放热另一端吸热，从而实现制冷的效果。图1.1平板式热电器件结构示意图[14](a)热电发电(b)热电制冷图1.2热电发电和热电制冷工作原理示意图1.2.3影响热电性能的主要参数实现热电器件大规模应用的关键在于提高器件的热电转换效率，热电设备的热电转换效率可用下式描述：η=Th-TcTh1+ZT-11+ZT+TcTh(1.1)式中，Th和Tc分别为热电发电机热端和冷端处的温度，Th-TcTh代表卡诺效率ηc。当ZT
硕士学位论文5值趋于无穷大时，发电效率将无限逼近卡诺效率。由式(1.1)可以看出，在一定温差下，转换效率的高低取决于ZT值，ZT值越高，转换效率也越高。Altenkirch提出的无量纲热电优值ZT用来表征热电材料的热电性能，努力提高ZT值是研究热电材料的核心内容，其具体表达式如下：ZT=(S2σ/κ)T(1.2)式中，S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率,包括晶格热导率κl和载流子热导率κe，S2σ为功率因子(PF)。该式简明的描述了在一定温度T下，优异的热电材料应同时具备大的Seebeck系数、高的σ及低的κ。然而这三个参数并不相互独立，互不影响，它们都与载流子浓度之间存在密切联系，如图1.3所示[22]。从图1.3可看出S、σ和κ三个参数随载流子浓度的变化趋势各异且彼此制约，其中随着载流子浓度的增加，σ和S的变化趋势相反，载流子浓度在1019~1020范围内所对应的材料可得到最佳热电性能。单独调控其中一个参数会造成其他参数非协同性的变化，故实现三个热电参数协同调控对提升ZT值来说显得尤为重要。深入研究和理解各热电参数的含义、数学表达式及影响因素，为进一步开发高性能热电材料提供方向和理论指导，下面就基于热电输运基础理论对几个参数进行一一讨论。图1.3三个热电参数与载流子浓度的关系图[22]1.2.3.1Seebeck系数对于简并半导体，Seebeck系数可用Mott公式表示如下[23]：S=π23КBqКBT1ndn(E)dE+1μdμ(E)dEE=EF(1.3)式中，q为载流子所带电荷量，n(E)和μ(E)分别为能级E处的载流子浓度和载流子迁移率，EF为费米能级。该式表明，高的dn(E)dE和dμ(E)dE可获得高的Seebeck系数，这就要
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈能源利用现状与发展[J]. 孔若琪. 居舍. 2019(08)
[2]热电能源材料研究进展[J]. 张宗委,王心宇,刘一杰,曹峰,赵立东,张倩. 硅酸盐学报. 2018(02)
[3]热电转换材料的开发与应用[J]. 钱伯章. 电力与能源. 2017(06)
[4]传统合金型热电材料研究进展[J]. 王美涵,王新宇,雷浩,邰凯平,侯朝霞. 人工晶体学报. 2017(10)
[5]热电效应的应用及热电优值提高策略[J]. 陈建勇. 物理通报. 2017(08)
[6]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)
[7]热电材料的基本原理、关键问题及研究进展[J]. 郭凯,骆军,赵景泰. 自然杂志. 2015(03)
[8]热电能源材料研究进展[J]. 赵立东,张德培,赵勇. 西华大学学报(自然科学版). 2015(01)
[9]热电材料研究的现状与发展趋势[J]. 任志锋,刘玮书. 西华大学学报(自然科学版). 2013(03)
[10]Half-Heusler热电半导体材料[J]. 黄向阳,徐政,陈立东. 无机材料学报. 2004(01)
本文编号：3227555
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平板式热电器件结构示意图[14]
Sb和Al元素对Ni-Co-Mn-Sn系热电合金组织与性能的影响4供热，另一端散热，使两端保持一定的温度差。热端由于受热会激发出更多的载流子且获得更高的动能，进而促使载流子向冷端扩散，最终两端会形成一个平衡，表现为无载流子的宏观迁移，此时半导体的两端会构成一个电动势即塞贝克电动势，电势差的存在会在电路中形成电流，进而引起电灯泡发亮。半导体中电荷的移动伴随着能量和熵的变化。图1.2(b)中，P型和N型半导体串联在一个接有外部电源的闭合回路中，通入电流时，由于电子在不同材料中所处的能级不同，当电子在电场作用下从N型半导体（能级高）流入金属（能级低）时，在界面结合势垒处向下跃迁，宏观上产生放热现象；当电子从P型半导体（能级低）流入金属（能级高）时，会吸收热量向上跃迁，表现为吸热现象，最终会在半导体的一端放热另一端吸热，从而实现制冷的效果。图1.1平板式热电器件结构示意图[14](a)热电发电(b)热电制冷图1.2热电发电和热电制冷工作原理示意图1.2.3影响热电性能的主要参数实现热电器件大规模应用的关键在于提高器件的热电转换效率，热电设备的热电转换效率可用下式描述：η=Th-TcTh1+ZT-11+ZT+TcTh(1.1)式中，Th和Tc分别为热电发电机热端和冷端处的温度，Th-TcTh代表卡诺效率ηc。当ZT
硕士学位论文5值趋于无穷大时，发电效率将无限逼近卡诺效率。由式(1.1)可以看出，在一定温差下，转换效率的高低取决于ZT值，ZT值越高，转换效率也越高。Altenkirch提出的无量纲热电优值ZT用来表征热电材料的热电性能，努力提高ZT值是研究热电材料的核心内容，其具体表达式如下：ZT=(S2σ/κ)T(1.2)式中，S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率,包括晶格热导率κl和载流子热导率κe，S2σ为功率因子(PF)。该式简明的描述了在一定温度T下，优异的热电材料应同时具备大的Seebeck系数、高的σ及低的κ。然而这三个参数并不相互独立，互不影响，它们都与载流子浓度之间存在密切联系，如图1.3所示[22]。从图1.3可看出S、σ和κ三个参数随载流子浓度的变化趋势各异且彼此制约，其中随着载流子浓度的增加，σ和S的变化趋势相反，载流子浓度在1019~1020范围内所对应的材料可得到最佳热电性能。单独调控其中一个参数会造成其他参数非协同性的变化，故实现三个热电参数协同调控对提升ZT值来说显得尤为重要。深入研究和理解各热电参数的含义、数学表达式及影响因素，为进一步开发高性能热电材料提供方向和理论指导，下面就基于热电输运基础理论对几个参数进行一一讨论。图1.3三个热电参数与载流子浓度的关系图[22]1.2.3.1Seebeck系数对于简并半导体，Seebeck系数可用Mott公式表示如下[23]：S=π23КBqКBT1ndn(E)dE+1μdμ(E)dEE=EF(1.3)式中，q为载流子所带电荷量，n(E)和μ(E)分别为能级E处的载流子浓度和载流子迁移率，EF为费米能级。该式表明，高的dn(E)dE和dμ(E)dE可获得高的Seebeck系数，这就要
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈能源利用现状与发展[J]. 孔若琪. 居舍. 2019(08)
[2]热电能源材料研究进展[J]. 张宗委,王心宇,刘一杰,曹峰,赵立东,张倩. 硅酸盐学报. 2018(02)
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[4]传统合金型热电材料研究进展[J]. 王美涵,王新宇,雷浩,邰凯平,侯朝霞. 人工晶体学报. 2017(10)
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[8]热电能源材料研究进展[J]. 赵立东,张德培,赵勇. 西华大学学报(自然科学版). 2015(01)
[9]热电材料研究的现状与发展趋势[J]. 任志锋,刘玮书. 西华大学学报(自然科学版). 2013(03)
[10]Half-Heusler热电半导体材料[J]. 黄向阳,徐政,陈立东. 无机材料学报. 2004(01)
本文编号：3227555
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