论文部分内容阅读
热电材料具有将热能和电能进行直接转换的能力,因此在温差发电、固态制冷等领域有重要的应用价值。新型高温热电材料half-Heusler合金具有成分元素安全无毒、热电性能优异等优点,在未来热电材料高温发电领域有着良好的发展前景。因此,本论文对half-Heusler合金体系中性能较好的MNiSn(M=Hf, Zr,Ti)合金材料体系进行了成分、显微形貌、热电性能等方面的研究,取得了以下主要成果。采用新型悬浮熔炼方法制备half-Heusler合金材料,实验证实,采用悬浮熔炼方法能够快速获得成分均匀的单相材料,有效解决了half-Heusler合金成分元素熔点差异太大所产生的制备上的困难。Half-Heusler合金体系中最大的挑战是具有相对较高的热导率。采用添加纳米第二相、元素掺杂或取代以及减小颗粒尺寸等方法均可以降低材料热导率,优化热电性能。本文对(Hf0.6Zr0.4)NiSn0.98Sb0.02基合金材料进行了Y-Sb元素的双掺杂实验,实验发现尽管空穴载流子的引入降低了材料的电导率,但是相应的提高了材料的Seebeck系数。Pisarenko图表明材料掺杂后Seebeck系数的变化是由于载流子浓度的变化所导致。同时由于载流子浓度的降低以及引入的合金散射降低了材料的热导率,最终材料的热电性能得到了提高,最高ZT值达到了0.76。同时也采用了(Hf,Zr)NiSn基合金中M位Ti的取代以及减小颗粒尺寸的方法来降低材料的热导率,其中40%Ti取代的样品热导率降低到了3.7Wm-1K-1。理论模型计算结果表明,Ti取代所引入的合金散射中,质量波动散射相对于应力场波动散射占主导地位,同时计算的Ti的最优取代含量在40%附近,与实验结果相符。本文对(Hf0.6Zr0.4)NiSn和ZrNiSn合金材料进行了P型掺杂改性,实验发现,随着引入的空穴载流子浓度的增加,材料Seebeck系数的符号有从负转变为正的趋势,说明通过P型掺杂方法可以获取P型MNiSn(M=Hf, Zr, Ti)基half-Heusler合金材料。当元素Y(或Yb)含量达到10%时，(Hf0.6Zr0.4)NiSn(或ZrNiSn)合金材料开始展现出P型材料性能特征。同时,本文还对half-Heusler合金YNiSb材料进行了Ti的掺杂,发现N型元素Ti的掺杂提高了材料的高温Seebeck系数并最终提高了材料的热电性能,掺杂1.5%的样品的ZT值相对于未掺杂样品提高了约60%。