MgAgSb的高频熔炼制备及Zn、Cd掺杂对其热电性能的影响研究

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MgAgSb是目前报道的在400-500 K之间具有最大热电优值的近室温热电材料,但由于其高含量的Mg和Sb易挥发,熔炼时产物的成分控制及性能调控较为困难。本文采用高频熔炼与等离子放电烧结相结合的方式成功制备了MgAgSb块体材料。为进一步提高MgAgSb的热电优值,选择在Mg位掺杂Zn元素,来降低其热导率。在此基础上,选择在Ag位掺杂Cd来提高其载流子浓度,从而提高热电优值。并探究了在不同烧结温度下Mg Zn Ag Sb的热电性能。得到以下主要成果:(1)采用高频熔炼制备MgAgSb能够有效地减少Mg和Sb的挥发,同时大大缩短了制备时间,这是一种高效、便捷的制备方法。同时,添加过量的Mg后,能够有效的降低样品的热导率,最低值接近于0.975 W·m-1·K-1;另一方面,添加过量的Sb后,不仅能降低样品的热导率,同时还能降低约33%的电阻率。最终,选择添加3 at.%的Mg以及1 at.%的Sb时,能够在550 K时获得约为1.0的ZT值。(2)以Mg1.03Ag Sb1.01为基础,制备了Mg1-xZnxAg Sb(x=1 at.%、2 at.%、3 at.%、4 at.%、5 at.%)系列样品。XRD及EDS分析表明,得到了较纯的单一α-MgAgSb相。热电性能分析则表明,Zn的等价掺杂没有明显地改变材料的电输运性能,但不仅能够降低样品的晶格热导率,还能大幅降低约20%的电子热导率。这使得在掺杂2 at.%的Zn元素后,样品能够在550 K时获得最大的ZT值约为1.26。(3)以Mg0.8Zn0.2Ag Sb为基础,制备了Mg0.98Zn0.02Ag1-xCdxSb(x=0.1 at.%、0.5at.%、1 at.%、2 at.%、3 at.%、4 at.%、5 at.%)系列样品。结果表明,由于涉及了两种元素的掺杂,只在掺杂量为0.1 at.%和0.5 at.%时,能够获得较纯的单一α-MgAgSb相。同时,尽管Cd的掺入并未按设想降低材料的电阻率,来改善电输运性能。但是Cd的掺入也并没明显增加Mg0.8Zn0.2Ag Sb的热导率。最终,掺杂1 at.%的Cd在550 K时,获得高于未掺杂样品约为1.0的ZT值。这为MgAgSb的第二种掺杂元素只能以微量来掺入提供了一种证明。(4)分别在400℃、430℃、450℃、480℃、500℃下烧结了Mg0.98Zn0.02Ag Sb样品。结果表明,烧结温度为450℃时,样品的Seebeck系数能够得到巨大的提升,从而将Mg0.98Zn0.02Ag Sb的热电优值在550 K时进一步提高到1.4。
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