p型Mg2(Si,Sn)基化合物的熔體旋甩制備及其熱電性能研究.pdf

1、在全球能源危機(jī)及環(huán)境惡化的影響下，世界各國研究者致力于探索出高效環(huán)保的清潔能源，如水利發(fā)電，太陽能電池等已廣泛應(yīng)用于生活中。熱電材料是一種近年來發(fā)展迅速且環(huán)境友好的半導(dǎo)體功能材料，其可以實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間的可逆轉(zhuǎn)換。由熱電材料制成的器件可以用來溫差發(fā)電和制冷，此類器件具有體積小、易于維護(hù)、安全可靠、無噪聲、清潔環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于航天、微電子及醫(yī)療器件等領(lǐng)域，高效的熱電器件需要性能優(yōu)異的n型和p型材料配對(duì)使用。熱電材料Mg2

2、(Si,Sn)基化合物以元素儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、無毒無污染等眾多優(yōu)點(diǎn)而備受研究者青睞，是有著重要應(yīng)用前景的中溫?zé)犭姴牧稀Ｄ壳皀型Mg2(Si,Sn)材料的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，熱電性能也已經(jīng)得到了很好的優(yōu)化，通過適當(dāng)?shù)膿诫s，n型Mg2Si0.4Sn0.6的熱電優(yōu)值ZT可達(dá)1.55。但是，熱電研究者對(duì)p型Mg2(Si,Sn)的熱電性能的研究仍然較少，最大ZT值始終未突破0.5。因此，開展p型Mg2(Si,Sn)基熱電材料的研究，具有重要的科學(xué)

3、意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　就含Mg元素的化合物在制備中易揮發(fā)易氧化的難題，本文采用自制的有保護(hù)氣氛的熔體旋甩設(shè)備結(jié)合放電等離子燒結(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在短時(shí)間內(nèi)制備出單相、結(jié)構(gòu)納米化、成分均勻、以及Mg含量精確控制的p型Mg2(Si,Sn)基熱電材料。本文分別利用Ag元素和Li元素?fù)诫s，將本征n型Mg2Si0.4Sn0.6轉(zhuǎn)變成了p型，并系統(tǒng)研究了不同的摻雜元素對(duì)p型Mg2Si0.4Sn0.6化合物熱電性能的影響；得到了最優(yōu)的組分并且優(yōu)化了熱

4、電性能；同時(shí)探究了熔體旋甩技術(shù)對(duì)產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)、形貌及在改善材料熱電性能方面的影響；并且深入研究了產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)與材料電學(xué)性質(zhì)及熱學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。具體的研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
　?、倮梅胖糜贏r氣保護(hù)氛圍中的自制熔體旋甩設(shè)備結(jié)合放電等離子燒結(jié)
　　技術(shù)，快速制備出一系列的p型Mg2-xAgxSi0.4Sn0.6(x=0.00,0.01,0.02,0.05,0.07)化合物，該實(shí)驗(yàn)方法不僅克服了Mg2(Si,Sn)制備的難

5、題，而且極大地節(jié)約了產(chǎn)物制備時(shí)間，相比于傳統(tǒng)方法制一個(gè)樣品要兩天左右，本實(shí)驗(yàn)方法僅僅需要2~3個(gè)小時(shí)。XRD物相分析表明我們所制備的樣品只有單一相，并無MgO等雜相的存在，驗(yàn)證了我們實(shí)驗(yàn)方法的有效性。經(jīng)分析熱電性能，化合物的電導(dǎo)率隨Ag元素?fù)饺牒康脑黾佣黾?，盡管Seebeck系數(shù)會(huì)有所降低，但綜合作用下，功率因子PF得到了提高，其中樣品Mg1.95Ag0.05Si0.4Sn0.6的PF達(dá)到最大值~1.03 mW K-2m-1@690

6、K，而該樣品的熱導(dǎo)率也較低，最終其ZT峰值在690K達(dá)到~0.45。
　?、诨谌垠w旋甩法的成功使用，繼續(xù)使用該“熔體旋甩結(jié)合放電等離子燒結(jié)”的方法快速制備Li元素?fù)诫s的p型Mg2(1-x)Li2xSi0.4Sn0.6(x=0.00,0.01,0.03,0.07,0.09)化合物。通過觀察旋甩得到的甩帶的 SEM圖，我們發(fā)現(xiàn)甩帶兩面由于冷卻速度不同，形貌也有很大差別，接觸銅輥的一面要比背離銅輥一面光滑細(xì)致很多，經(jīng)過SPS后的樣品晶