P型中温碲化物温差电材料制备与性能研究

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温差电材料是一种在固体状态下实现热能与电能相互转换的半导体功能材料,在工业余热回收利用方面具有重要应用价值。中温温差电材料是很多工业余热回收利用的理想材料选择,成为近年研究的热点。本文以P型GeTe和PbTe为研究对象,通过多元合金固溶、高效掺杂、纳米复合等技术手段,采用热压和放电等离子体烧结(SPS)研制出了高性能中温碲化物温差电材料。对制备的材料样品进行XRD、SEM、EDS等物相结构分析以及热电性能、力学强度及抗高温蠕变性能测试,系统研究了成分、掺杂以及制备工艺对材料性能的影响机理。在GeTe材料中引入MnTe-SnTe形成赝三元(GeTe)x(Mn0.6Sn0.4Te)1-x固溶体合金,通过调节固溶体比例,优化材料性能及相变温度。x为0.85的材料样品在720-750K温度范围具有最大ZT值1.57。用原子半径较大的Mn和Sn替代Ge,有效降低了材料的晶格畸变,提高其机械强度。在赝三元GeTe基温差电材料中添加Nb作为金属弥散相,可有效控制位错攀移速度及晶界滑移,显著增强材料的抗高温蠕变能力。Nb的添加量为3wt%的GeTe基材料在600℃、负荷100N条件下保持100h后,尺寸变形不超过0.4%。对(GeTe)0.85(Mn0.6Sn0.4Te)0.15进行纳米电中性Bi2Te3掺杂,纳米粒子对降低材料晶格热导率的作用明显。掺杂比例为0.03wt%的材料样品在700K附近的ZT值达到1.54。烧结过程中,部分纳米粒子团聚及长大,很可能影响了对GeTe基材料的性能优化程度,导致掺杂后的样品较掺杂前无明显优势。掺杂电中性Bi2Te3后的赝三元GeTe基材料材料的相变温度明显降低。x为0.015的材料样品的相变温度最低,为519K。以均质Pb0.5Sn0.5Te+0.25wt%Te为基体,采用SPS方法制备了不同添加比例的同质和异质纳米复合PbTe基材料。适宜的烧结温度以及纳米复合引起的载流子浓度优化和晶格热导率降低是材料获得高ZT值的主要原因。纳米相作为第二相,有效改善了材料的机械强度。纳米相的添加比例并非越大越好,同质或是异质纳米复合PbTe材料均在纳米相添加量为0.3wt%时具有最大ZT值分别为1.31和1.05,较未复合均质PbTe材料的最大ZT值0.84有较大程度的提升。掺杂Ag的赝二元Pb1-xSnxTe+yat%Ag材料的研究表明,在未掺杂条件下,随着第二相化合物的比例增加,固溶合金中将会引进大量空穴,同时材料晶格内的合金散射作用也将增强,x为0.25的材料样品获得了最大ZT值为1.08。Ag的掺杂使合金中载流子浓度迅速增大,电导率显著提高。但当掺杂量增加到0.02at%时,由于合金内部空穴浓度渐趋饱和,本征激发难以产生,Ag的掺杂作用将会消失,电导率不再随Ag含量的增加而增大。当y为0.01时,Pb0.75Sn0.25Te材料在650K获得最大ZT值为1.43。确定较适宜的热处理工艺可以优化材料综合热电性能。将配比为Pb0.75Sn0.25Te+0.01at%Ag的材料样品在500℃进行保温20小时热出路,材料的最大ZT值比热处理前增长了8%,抗弯强度增长了近13%。
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