低维纳米银复合Bi2Te3基热电材料及其性能研究

来源 :东华大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:S20090908
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热电材料是一种能实现热能和电能直接转化的新型功能材料,在热电制冷和温差发电领域有广泛的应用前景。目前室温下性能最好的热电材料是Bi2Te3基热电材料,关于如何降低制备成本并进一步提高Bi2Te3热电性能的研究仍然非常活跃。尽管低维化热电材料在综合性能的提高上取得一些进展,但从应用的角度考虑,制备块体热电材料更具实际效用。低维纳米复合热电材料具有降低晶格热导率,并同时提高功率因子的双重效果,将成为未来热电材料发展的主要研究方向。本文将低维银纳米线(AgNWs)、银纳米颗粒(AgNPs)引入到三维Bi2Te3基体中,构筑一种新型的低维纳米复合热电材料。通过低维纳米相的添加,来降低Bi2Te3的晶格热导率,同时调节载流子迁移率,使得Seebeck系数变大,功率因子得以提高,最终得到具有更高ZT值的Bi2Te3基热电复合材料。本论文首先采用多元醇法和水热合成法先后制得低维AgNWs、AgNPs和Bi2Te3纳米粉体。然后依次将AgNWs、AgNPs分别与Bi2Te3纳米粉体超声复合。最终采用放电等离子烧结技术获得致密的块体复合材料。主要研究内容如下:(1)采用多元醇法和水热法分别制备了AgNWs、AgNPs和Bi2Te3纳米粉体。采用XRD、SEM、TEM等分析测试技术研究了所制备纳米材料的形貌和显微结构。AgNWs的直径为50nm,长度为50gm,长径比达到1000; AgNPs的粒径为50nm左右,多为球形或立方形;Bi2Te3纳米粉体的颗粒尺寸在50nm左右,多为球形或片状。(2)采用超声复合法将不同比例的AgNWs与Bi2Te3复合,得到复合纳米粉体,采用放电等离子烧结技术制备AgNWs/Bi2Te3复合块体。研究不同AgNWs含量下复合材料的物相形貌、微结构及晶粒尺寸,并测试电导率、Seebeck系数、热导率和霍尔系数,研究材料的热电性能。超声复合使得AgNWs均匀地分散在Bi2Te3基体中;在烧结过程中,AgNWs在一定程度上抑制了Bi2Te3晶粒的生长,并与Bi2Te3基体形成许多新的界面。当AgNWs的添加量为1.5vol%时,复合块体的最大ZT值在475K达到0.71,相比不含AgNWs的单相Bi2Te3块体的最大ZT值提高了343%。(3)采用超声复合法将不同比例的AgNPs与Bi2Te3复合,得到复合纳米粉体,采用放电等离子烧结技术制备AgNPs/Bi2Te3复合块体。研究不同AgNPs含量对复合材料的影响响,主要包括物相形貌、显微结构及尺寸、电导率、Seebeck系数、热导率和霍尔系数。超声复合使得AgNPs均匀地分散在Bi2Te3基体中;在烧结过程中,AgNPs在一定程度上抑制了Bi2Te3晶粒的生长,并与Bi2Te3基体形成许多新的界面。当AgNPs的添加量为2.0vol%时,复合块体的最大ZT值在475K达到0.77,相比不含AgNPs的单相Bi2Te3块体的最大ZT值提高了304%。
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