【摘 要】
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通过载流子运动,热电材料可以直接实现热-电相互转换,并可应用于温差发电及热电制冷。Bi-Te系热电材料作为目前唯一实现大规模商业应用的热电材料,更是5G通信模块冷却及控温元件的核心材料之一。研究表明,由于Bi2Te3晶体结构存在明显的各向异性,拥有强织构性、纳米级晶粒等微观结构将对Bi-Te系材料的机械性能及热电性能产生重大影响。因此本论文选取p型Bi2Te3材料为主题研究对象,采用新型制备方法以
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通过载流子运动,热电材料可以直接实现热-电相互转换,并可应用于温差发电及热电制冷。Bi-Te系热电材料作为目前唯一实现大规模商业应用的热电材料,更是5G通信模块冷却及控温元件的核心材料之一。研究表明,由于Bi2Te3晶体结构存在明显的各向异性,拥有强织构性、纳米级晶粒等微观结构将对Bi-Te系材料的机械性能及热电性能产生重大影响。因此本论文选取p型Bi2Te3材料为主题研究对象,采用新型制备方法以及合适成分调控,并结合理论分析,进一步同时优化材料的热电、机械性能。熔融旋淬法作为快速凝固制备材料的方法,可以强制碲化铋晶粒沿热导率更高的a轴方向生长,从而获得高织构纳米晶薄带材料。本文通过该方法制得薄带材料后对其进行分析,证明薄带同时具备了纳米晶及定向织构两个特性;通过对引入熔融旋淬工艺的块体材料与商用及传统粉末冶金材料对比,证明了该工艺可以有效提升热电性能,并进一步探明最佳旋淬铜辊转速为4000rpm。本文主要采用熔炼、熔融旋淬、放电等离子烧结三种方法结合,制备p型Bi0.5Sb1.5Te3热电材料。为实现同时具有织构、纳米结构的块体材料的制备,引入定向烧结的新型工艺方法,并对制备过程中的材料进行微观组织及相应成分分析,得到组织均匀、成分均一、没有第二相的致密块体材料;进一步通过对截面的腐蚀及断面的观察,结合EBSD、TEM分析,证明了定向烧结的思路最大程度上保留了原材料薄带的基本特征,并测量该样品于室温的ZT已达1.2。除热电性能外,同样对其制备的块体材料进行机械性能的测试,对比商用材料抗压强度、维氏硬度均有明显提升,进一步证明定向烧结方法的优越性。在上述已有试验结论的基础上进一步对p型Bi0.5Sb1.5Te3进行成分调控,分别探究了过量Te的添加、In元素掺杂对材料热电性能的影响,结合相应的电性能、热性能数据分析两种元素对材料热电性能的具体影响,最终探索出最优成分Bi0.49In0.01Sb1.5Te3.3的定向烧结块体于室温下ZT可达1.3,实现了高织构纳米晶高性能p型碲化铋的制备。
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