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热电材料是一种利用热电效应实现热能和电能相互转换的半导体功能材料。高锰硅化合物(higher manganese silicides,HMS)是适用于中温区发电的p型热电材料,具有化学稳定性高、价格低廉等优点,在工业废热发电等方面具有广阔的应用前景。本论文以高锰硅化合物为研究对象,采用外加法和原位合成法分别制备出含有MnSi纳米第二相的高锰硅块体材料,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜显微分析(SEM)及热电性能测试系统研究了其微观结构和热电性能。 外加法是将MnSi1.75粉末和MnSi纳米粉末按一定比例均匀混合后,采用放电等离子烧结的方法制备出MnSi1.75+xwt.%MnSi(x=0,1,3)高锰硅复合热电体材料。其中MnSi纳米粉末采用熔炼结合球磨和高速离心分离技术制备:球磨介质为正庚烷,球料比40∶1,球磨时间10h,离心速率为6000r/min。制备出的MnSi粉末的粒度为30~80nm。实验发现,MnSi纳米粉末添加量对高锰硅材料的密度、微观结构以及热电性能有较大影响。随着x的增大,样品的密度增大,MnSi相含量逐渐升高。对比未添加的样品,添加MnSi纳米粉末的样品在450℃~550℃的温度范围内可以有效降低材料的热导率。当MnSi纳米粉末添加量为1wt.%时,样品具有最高的无量纲热电优值ZT值,在500℃时达到0.36,相对未添加样品提高了12.5%。 原位合成的方法是通过熔炼、淬火、球磨结合SPS烧结工艺制备出MnSi1.75+xwt.%MnSi(x=0~9)高锰硅复合材料。淬火工艺为850℃,保温24h,淬火介质为冰水混合物。研究发现,高锰硅基体中MnSi相呈弥散分布,其含量随x的增大而增多。在测试温度范围内,样品的电导率和热导率随MnSi含量的增多而增大,赛贝克系数与电导率变化规律相反。当MnSi含量为3wt.%时,样品具有最高的无量纲热电优值ZT值,在450℃时达到0.46。 在原位合成基础上进行Cr、Ge元素掺杂。研究表明,仅有极少量Cr元素能够进入HMS晶格,其添加会引起高锰硅材料中Si原子的偏聚,改变MnSi相的含量和分布。在测试温度范围内,掺杂后的样品电导率下降,Seebeck系数上升,综合电性能下降。Ge元素掺杂抑制了高锰硅材料中MnSi相的析出,从而改变了MnSi相的形态及分布。在测试温度范围内,Ge掺杂样品的电导率和热导率随掺杂量的增大均呈先下降后升高的趋势,塞贝克系数变化规律与之相反。Ge掺杂量为1.6%的样品具有最高的无量纲热电优值ZT值,在450℃时达到0.48。