日益严峻的环境污染和逐渐枯竭的化石能源，引发了各国对新型环保能源的开发与利用的热潮。热电材料是可实现热能与电能直接转化的新能源材料，在家庭生活、工业废热、汽车尾气废热的回收利用、地热发电等方面具有很大的应用前景。它具有无流体、无运动部件、无噪声、无污染、可靠性高等特点。β-Zn4Sb3是中温区最具潜力的热电材料之一，其在673 K左右热电优值(ZT)可以达到1.3。同时，β-Zn4Sb3中元素Zn和Sb储量相对丰富且对环境均无污染。β-Zn4Sb3没有得到广泛应用的关键在于其没有可靠稳定的制备工艺，且如何进一步优化β-Zn4Sb3的热电性能也是亟待解决的研究课题。本文利用真空熔融结合等离子活化烧结(PAS)工艺制备单相β-Zn4Sb3并探索研究了其在高温下的稳定性。为进一步提高β-Zn4Sb3的热电性能，分别制备了纳米SiC作为第二相的SiC/β-Zn4Sb3复合材料和Bi掺杂Sb位的Zn4Sb3-xBix热电材料，并着重研究了这两种材料的热电性能。
本研究主要内容包括：⑴在烧结工艺为温度723K、压力80MPa下，制备了单相致密β-Zn4Sb3热电材料，其密度可达理论密度的98.1％。TEM表明：经不同温度下热处理，β-Zn4Sb3在高温区可以稳定存在。⑵采用真空熔融结合等离子活化烧结工艺制备SiC/β-Zn4Sb3复合热电材料。对材料的相组成和显微结构分别进行X射线衍射分析和扫描电子显微镜观察，并在300~700 K范围内测量了其电阻率、Seebeck系数、热导率。结果表明，复合材料由SiC和β-Zn4Sb3两相组成，PAS烧结过程中，β-Zn4Sb3并没有发生相变，纳米SiC颗粒在β-Zn4Sb3基体中随机分布。随着纳米SiC含量增加，复合材料的电阻率逐渐增加，Seebeck系数先增加后降低。当SiC含量为1.0%(质量分数)时，复合材料的ZT在673 K时达到1.03，与单相β-Zn4Sb3相比提高了37%。Zn4Sb3-xBix电输运性能测试表明，Bi掺杂Zn4Sb3-xBix热电材料的电阻率要高于单相Zn4Sb3，且随着掺杂量的增加而升高，而Zn4Sb3-xBix热电材料的Seebeck系数相比于单相β-Zn4Sb3有了明显的提高。虽然电阻率有一定的增加，但是由于Seebeck系数的提高，使得Zn4Sb3-xBix热电材料的功率因子增大，从而提高Zn4Sb3-xBix热电材料的电输运性能。⑶Zn4Sb3-xBix的热性能测试表明，掺杂样品的热导率均要低于单相β-Zn4Sb3。300-700K温度区间内，Bi掺杂Zn4Sb3-xBix热电材料的ZT值均要高于单相β-Zn4Sb3。其中，x=0.04的样品在673K时的ZT值为0.96，与单相β-Zn4Sb3块体材料的ZT相比提高了28%。
- 作 者：
- 张超
- 学科专业：
- 材料学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 江苏大学
- 导师姓名：
- 乔冠军
- 学位年度：
- 2016
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
