Cu-Te超细晶/Cu2SnSe3热电复合材料的制备与性能研究

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作为一种能源材料——热电材料——无不从各方面展现着它巨大的发展潜力和研究价值。其具有的环保性、便捷性以及长寿命等众多优点也展现着新型能源材料所应有的发展方向。铜基热电材料因其独特的热电性能和原材料的广泛、经济,在热电材料的开发中备受瞩目。本论文通过真空熔炼法制备了Cu2SnSe3基体、利用熔体旋甩法(MS)制备了Cu-Te合金薄带,并研究了不同冷却速率下旋甩得到的Cu-Te合金微观组织和成分组成。利用球磨工艺结合放电等离子(SPS)烧结技术将两种粉末制备成Cu-Te/Cu2SnSe3热电复合材料。最后对制备得到的复合材料进行物相与微观结构分析以及热电性能的相关测试,并比较不同铜辊转速下的Cu-Te合金及其复合量对Cu2SnSe3基体形成的各种微观组织及热电性能的影响。通过熔体旋甩法分别以20m/s、25m/s和30m/s的旋甩速率制备了Cu-Te合金薄带,均获得了组织均匀且细小的晶粒,其接触面的尺寸大约在几百个纳米左右。并且随着铜辊转速的增高,晶粒进一步减小。通过对其断面的分析可以看到精细分布的层状组织。XRD的检测发现,熔体旋甩后的Cu-Te合金含有如下物相:Cu2Te、Cu2-xTe、Cu3-x-x Te、CuTe以及Cu4Te3。Cu-Te合金相很好的分布在Cu2SnSe3基体内部,没有新物相生成。通过SEM与EDS分析,Cu-Te合金主要分布在Cu2SnSe3基体的晶界位置,Cu-Te相具有阻碍Cu2SnSe3晶粒生长的作用。Cu-Te-25/Cu2SnSe3与Cu-Te-30/Cu2SnSe3复合材料,随着Cu-Te添加量的增加,复合材料中的晶粒尺寸逐渐减小。当Cu-Te的添加量较高时(0.8vol.%与1.2vol.%),随着Cu-Te尺寸的减小,复合材料中孔隙含量增多。Cu-Te-20/Cu2SnSe3复合材料的晶格热导率和总热导率得到极大地降低,当Cu-Te添加量为0.8 vol.%时,复合材料在700K时具有最大ZT值为0.45,较基体相提高了87.5%;Cu-Te-25/Cu2SnSe3复合材料具有较好的电性能,当Cu-Te添加量为0.8 vol.%时,复合材料在700K时具有最大ZT值为0.27;Cu-Te-30/Cu2SnSe3复合材料具有较高的Seebeck系数,当其Cu-Te添加量为1.2 vol.%的复合材料在700K时具有最大ZT值为0.31。当Cu-Te的添加量为0.4 vol.%时,Cu-Te-25/Cu2SnSe3复合材料的功率因子处于最高水平,但在700K时,Cu-Te-20/Cu2SnSe3复合材料具有最低热导率和最大ZT值;当Cu-Te的添加量为0.8 vol.%时,Cu-Te-20/Cu2SnSe3复合材料具有最高功率因子、最低热导率及最大ZT值;当Cu-Te的添加量为1.2 vol.%时,Cu-Te-30/Cu2SnSe3复合材料具有最高功率因子,Cu-Te-20/Cu2SnSe3复合材料具有最低热导率和最大ZT值;对比Cu-Te-25/Cu2SnSe3与Cu-Te-30/Cu2SnSe3复合材料可以发现:随着Cu-Te晶粒尺寸的降低,复合材料的电导率下降,Seebeck系数升高,晶格热导率下降。
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