SiNWs-Mg2Si复合热电材料的制备与性能研究

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热电材料是一类能够实现热能与电能直接相互转换的功能材料,利用其可进行温差发电与热电制冷。由热电材料制作的热电器件具有简易轻巧、经久耐用、反应灵敏、环保可靠等优点,应用前景非常广阔。镁娃基热电材料原料丰富、安全无毒且热电性能优秀,近年来十分引人关注。本文通过将MofSi、Bi粉与由化学刻烛法刻烛后的单晶Si片置于无水乙醇中同步超声振荡,得到鞋纳米线(SiNWs)、Bi和Mg2Si的混合粉体,并通过电场激活压力辅助烧结(FAPAS)方法制备出2at.%Bi掺杂的SiNWs-Mg2Si块体复合热电材料,采用扫描电镜、透射电镜等手段对其微观结构进行表征,利用热电测试仪与激光闪光热常数测试系统对其热电性能进行表征,通过剪切试验与剪切断口显微观察对其力学性能进行了研宄分析。主要研宄结果如下:采用0.035mol/L AgNOs (aq)与20wt%HF酸的混合液为化学刻t虫液,常温刻烛3h,可制得直径50-500nm、长度可达几十微米的鞋纳米线阵列;以MefSi粉、Bi粉和利用化学刻烛法刻烛后的鞋片为原材料,在无水乙醇中超声混合后真空烘干,经FAPAS烧结可制得致密度良好的SiNWs-Mg2Si复合热电材料。经超声振荡与FAPAS快速烧结工艺后,鞋纳米线可完整保存于基体中,并呈均匀分布状态;娃纳米线掺入后材料载流子浓度与迀移率均降低进而使电导率明显降低,Seebeck系数基本不变,热导率显著降低。随着鞋纳米线掺量增加电导率进一步降低,Seebeck系数稍有提高,而热导率开始上升;常温下当桂纳米线含量由O.lat.%增至0.3at%时,材料载流子迁移率下降14.2%,电导率下降28.2%; Seebeck系数增加12.1%;热导率升高13.7%。掺0.1at.%SiNWs样品热电性能最优,ZT值在800K时达到最大为0.5。鞋纳米线掺入后Mg2SiBia。2块体材料的剪切强度显著提高,含0.3at.%SiNWs样品的剪切强度可迖8.43MPa,比未掺SiNWs样品提高了近两倍;同时发现,随着鞋纳米线掺量增加,材料剪切断裂形式由解理断裂与沿晶断裂的混合模式向准解理断裂与沿晶断裂的混合模式转变,该种断裂模式说明SiNWs掺入后块体材料的强韧性得到改善。
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