化学镀对Bi-Te基热电材料性能的影响

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随着环境污染和能源问题的加剧,对热电材料等新型能源转化材料的研究得到广泛关注。Bi-Te基热电材料是室温附近性能最佳的热电材料,但仍存在热电转换效率较低、机械性能较差等问题。本文以n型和p型Bi-Te基热电粉体为基体,采用化学还原沉积法在粉体表面修饰不同种类和含量的金属层,然后烧结成块体试样,探究其对材料的热电及机械性能的影响,具体内容如下:1、探究了表面修饰Ni含量对p型Bi0.5Sb1.5Te3/Ni块体试样的性能影响。热压和放电等离子烧结Bi0.5Sb1.5Te3/Ni块体试样的ZT值基本不变或略有下降。但Ni含量较低时,Bi0.5Sb1.5Te3/Ni块体合金的Seebeck系数大幅度上升,该工作为后续实验提供了思路。2、研究化学镀Cu含量对p型Bi0.5Sb1.5Te3/Cu块体试样的性能影响。随着Cu含量的增加,试样的载流子浓度上升,载流子迁移率下降。Bi0.5Sb1.5Te3/Cu试样的电导率明显提高,晶格热导率大幅度下降,热电性能得到改善。同时,随着Cu含量的上升,ZT峰值向高温端偏移。低温区性能最好的试样Cu含量为0.05wt.%,ZT峰值在372K从0.59提高到1.08。Cu含量增加到0.22wt.%时,ZT峰值移动到高温区域(573K)从0.12提高到0.89。3、基于以上实验结果,采用在Bi0.5Sb1.5Te3粉末基体表面先镀Ni提高试样的Seebeck系数,再镀Cu同时提高功率因子和降低热导率的方法提高材料的性能。相比于Bi0.5Sb1.5Te3/Cu试样,Bi0.5Sb1.5Te3/Ni-Cu试样的功率因子上升,晶格热导率进一步下降。在含有0.3wt.%Ni和0.15wt.%Cu的试样中,ZT峰值在473K从0.32提高到1.16,材料的热电性能得到进一步提高。4、探究了化学镀Cu含量对n型Bi2Te2.7Se0.3/Cu块体试样的影响。Bi2Te2.7Se0.3/Cu试样的Seebeck系数大幅度上升,因而功率因子大幅度上升,说明电传输性能得到明显改善。与Bi0.5Sb1.5Te3/Cu试样相似,调节Cu含量可以改善试样在不同温度区间的热电性能。高温区性能最好的试样Cu含量为0.05wt.%,ZT峰值在623K从0.35提高到0.85。Cu含量增加到0.15wt.%时,ZT峰值移动到低温区域(373K)从0.24提高到0.71。同时,无论金属层的种类和含量,所有经过表面修饰的试样的机械性能得到提高。
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