论文部分内容阅读
社会和经济的快速发展带来了环境的不断恶化和能源危机的不断加深,新型清洁能源的开发和使用越来越受到人们的关注。作为一种新型能源材料,热电材料可以通过载流子的运动而实现热能和电能的直接相互转化。它可以利用自然界和工业生产的废热进行发电,也可以制成可靠性高、安静无噪音的制冷机,对减少CO2等温室气体的排放具有重要意义。热电材料的性能通常由无量纲优值zT来衡量。迄今为止,越来越多体系的热电材料展现出了很大的潜能,比如Bi2Te3,PbTe,skutterudites,clathrates,Mg2Si,Half-heusler, Cu2X(X=S,Se)等,它们的zT值均可以达到1以上。一直以来,热电材料最常用的制备方法为高温熔融退火法,该法流程非常复杂,包括:真空密封石英管、长时间的高温熔融、长达数周的高温退火、热压或SPS烧结致密化等。该制备方法涉及设备较多,对科研工作者要求很高,长时间的高温处理也造成了大量时间和能源的浪费。这就使得热电材料的大范围推广和大批量生产显得尤为困难。所以,热电材料的快速发展需要发展快速的制备方法。 放电等离子体烧结(SPS)是一种快速简单的烧结方法,可以在升温的同时在样品上施加很大的压力。该方法烧结时间短,自动化程度高,制备材料晶粒细小均匀,在科研领域和工业生产上得到了非常广泛的应用。本研究尝试选择不同的材料体系,以元素单质粉体为原料,使用快速简单的放电等离子体烧结,在数分钟内一步快速制备出了单相均匀的高性能块体热电材料。本研究不仅对烧结过程进行了研究,还对所得材料的热电性能进行了详细的表征,主要成果如下: 1.通过控制SPS烧结参数,本研究使用Sn粉和Te粉一步快速合成了纯相致密的SnTe热电材料。通过使用XRD、SEM和EDS等表征手段,对不同升温速度下的烧结过程进行了详细分析,结果发现,当升温速度达到200 K/min,反应物在加电流瞬间迅速收缩,发生自蔓延反应;而在慢速升温时,发生的反应为固相扩散反应。升温速度对反应过程有明显影响,但不同升温速度制备的SnTe的热电性能保持一致,750 K时的最大zT值可以达到0.35,与传统熔融退火法制备的材料性能相同。 2.本研究使用SPS一步快速反应烧结制备了Bi掺杂的SnTe。XRD、SEM和EDS结果表明,Bi进入了SnTe晶格,所得材料元素分布均匀,相组成单一。对不同掺杂量样品的载流子浓度进行测量发现,Bi的加入显著降低了载流子浓度,从而降低了热导率和电导率,进而改善了SnTe的热电性能。Sn0.95Bi0.05Te样品的zT在850 K可以达到0.8,较基体有明显提高。 3.与SnTe的制备过程不同,Ag粉和Se粉非常容易发生反应,在混合阶段已经部分生成Ag2Se。通过SPS处理,可以使得剩余粉体发生反应和元素扩散,得到纯相均匀的Ag2Se和CuAgSe。研究发现,升温速度对材料的相组成和化学计量比有一定影响,从而使其热电性能呈现出一定差异。Ag2Se和CuAgSe的最大zT值可以分别达到0.8(450K)和0.6(390 K),可以与传统方法制备材料的热电性能相媲美。