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Fe-Si合金是一种非常有发展潜力的功能材料,原料来源丰富,价格低廉,使其具有很高的研究价值。其中β-FeSi2作为热电材料,在世界能源危机日益显现和人们致力于绿色能源开发的今天,对其的研究开发应用有着重要的现实意义。本课题采用了机械合金化的方法,以SEM和XRD为主要分析手段,通过对Fe-Si混合粉体的合金化过程及其相变规律的系统研究,结合合金粉体的成型及热处理工艺试验,探索出了一种工艺简单、高效、快速的β-FeSi2制备新方法:用纯度为99.5%的Fe粉和纯度为99.9%的Si粉按1:2(原子比)的成分配比在球磨速度450r/min、球料比80:1工艺下球磨5h,使其机械合金化,然后,将合金粉体压制成型再经800℃保温1h热处理获得了单相β-FeSi2热电材料。
本文主要研究内容与结果如下:
对Fe-Si粉体的机械合金化过程进行了研究,得出Fe-Si合金机械合金化过程主要分成三个阶段。第一阶段为混合粉体的破碎过程,脆性的Si粉在短时间内被破碎成细小的颗粒状粉体,延性的Fe粉被球磨介质挤压成片状粉体;第二阶段是延性的片状的Fe粉和硬脆的颗粒状的Si粉形成层状复合粉体的过程;第三阶段为合金化过程,合金相的核在Fe粉和Si粉冷焊面上形成,通过Fe、Si原子扩散,核向两边扩展长大成为Fe-Si金属间化合物。
对Fe-Si粉体机械合金化工艺参数的影响进行了研究,结果表明:过低的球磨速度不利于Fe-Si粉体的机械合金化进程。球料比较低时,由于磨球运动自由度大,平均自由程较长,因此对粉体的破碎作用较大,可获得比较细小的粉体。但粉体合金化程度较低。球料比增大,虽然破碎作用减弱,但由于磨球对粉体挤压和碰撞次数增加,更有利于粉体间焊合。故粉体合金化程度提高,同时获得β-FeSi2相的量增多。延长球磨时间可以促进合金化进一步进行,成分趋于均匀,粉体颗粒更细小。综合各种球磨工艺因素的影响,得出最佳的Fe-Si机械合金化工艺为球磨速度450r/min、球料比为80:1、球磨时间为5h,在该工艺下粉体可在较短的时间内完全合金化,组成相为α-Fe2Si5、β-FeSi2和8-FeSi。
对Fe-Si合金粉体的成型及热处理进行了研究,将机械合金化得到的由α-Fe2Si5、ε-FeSi和β-FeSi2三相组成的合金粉体模压成型后,采用800℃保温1小时的热处理工艺即可获取单一β-FeSi2,与电弧熔炼样品出现大量的宏观微观裂纹以及随后的144小时退火获取单一β-FeSi2的工艺相比,突显了机械合金化加短时间热处理制备工艺的优越性。而1100℃保温1~3小时再降至800℃保温1小时,则在获得单一β-FeSi2相的同时使样品产生烧结,样品的密度因此得到提高。制备出来的块状β-FeSi2材料在整个测试温度区间内其Seebeck系数及表征热电材料电学性能的功率因子均远大于α-Fe2Si5、β-FeSi2和ε-FeSi三相组合的样品。