Mg-Si基納米熱電材料的制備及其性能研究.pdf

1、Mg2Si金屬間化合物是一種環(huán)境友好型中溫域熱電半導(dǎo)體材料。目前對(duì)于MgSi熱電材料的研究主要是采用高溫熔融法或長(zhǎng)時(shí)間的固相反應(yīng)的方法，通過(guò)引入摻雜元素來(lái)提高材料電導(dǎo)率或者形成固溶體來(lái)降低材料熱導(dǎo)率，從而提高材料熱電性能。在當(dāng)前通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)納米化或材料納微米復(fù)合化來(lái)改變和優(yōu)化化合物電子及聲子的傳輸特性已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)時(shí)，關(guān)于Mg2Si結(jié)構(gòu)納米或納微米化對(duì)其聲子或載流子傳輸特性影響的研究報(bào)道極少，而且由于Mg活潑的化學(xué)特性，傳統(tǒng)制備Mg

2、2Si的方法難于得到單相的Mg2Si，也會(huì)影響材料性能。因此，適當(dāng)、快捷的制備方法，以及通過(guò)引入納米或納微米結(jié)構(gòu)結(jié)合摻雜等其它手段是否可以獲得性能優(yōu)異的Mg2Si熱電材料，是急需探索和解決的問(wèn)題。 本論文以高純Mg、Si粉為原料，采用放電等離子體燒結(jié)方法（SPS），通過(guò)對(duì)合成溫度、壓力、保溫時(shí)間及Mg含量的分析，在823K-20MPa-10min，Mg在Mg，Si化學(xué)劑量比基礎(chǔ)上過(guò)量10wt%條件下合成得到單相Mg2Si；合成得

3、到的Mg2Si粉體再采用SPS在1023K-20MPa-10min條件下燒結(jié)得到完全致密的、單相Mg2Si塊體。 采用機(jī)械球磨MgzSi微米粉體的方法制備Mg2Si納米粉體，選取WC球和罐，在球料比為20：1、轉(zhuǎn)速為370r/min、球磨時(shí)間為70h時(shí)獲得平均晶粒尺寸約為十幾納米的MgS1粉體。 將納米、微米粉體采用SPS方法燒結(jié)，由于SPS升溫速度快、時(shí)間短的燒結(jié)特點(diǎn)，抑制了燒結(jié)過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大，分別得到了MgSi微米材

4、料和MgSi納米材料，分析對(duì)比兩者的熱電傳輸性能發(fā)現(xiàn)：由于納米結(jié)構(gòu)引入的較多晶界，增強(qiáng)了載流子散射，導(dǎo)致納米材料電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率均低于微米材料，而晶界勢(shì)壘散射則使納米材料的Seebeck系數(shù)高于微米材料，綜合電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率及Seebeck系數(shù)的影響，在800K時(shí)納米Mg2Si材料的熱電優(yōu)值（ZT）達(dá)到0．36，具有更高的熱電性能。由此認(rèn)為納米結(jié)構(gòu)的引入有助于提高M(jìn)g2Si材料熱電性能。 由于大量晶界引入一方面降低電導(dǎo)，另一方面又提

5、高了材料Seebeck系數(shù)，降低了材料熱導(dǎo)率，因此可以通過(guò)燒結(jié)制備納微米復(fù)合材料，調(diào)節(jié)晶界含量，來(lái)使得晶界對(duì)于材料熱電傳輸性能的影響最優(yōu)化。通過(guò)同質(zhì)Mg2Si納微米復(fù)合材料的制備及性能研究發(fā)現(xiàn)，由于晶界勢(shì)壘散射促使材料Seebeck系數(shù)α隨晶界含量增加而增加，材料電導(dǎo)率σ、熱導(dǎo)率κ則隨晶界含量增加而減少，當(dāng)納米顆粒含量為50wt%時(shí)，同質(zhì)Mg2Si納微米復(fù)合材料的ZT值在823K時(shí)達(dá)到0．45，分別是完全微米相和完全納米相Mg2Si材料

6、的1．5及1．1倍。納微米結(jié)構(gòu)的引入可以進(jìn)一步改善Mg2Si的熱電性能。 論文探索了Bi摻雜對(duì)MgSi材料的熱電傳輸性能的影響，發(fā)現(xiàn)一方面Bi摻雜提高載流子濃度，顯著提高材料電導(dǎo)，另一方面Bi固溶引起的晶格畸變又會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率降低產(chǎn)生一定作用，因此明顯提高了材料的熱電性能；當(dāng)Bi摻雜量為1．5at%，納、微米含量分別為50wt%時(shí)，Mg-Si基同質(zhì)納微米復(fù)合材料在823K獲得最大ZT值為1．1，高于Mg-Si體系目前其它文獻(xiàn)的報(bào)道。