Mg2Si基熱電材料的微波合成機(jī)理及熱電性能研究.pdf

1、熱電材料是將熱能和電能實(shí)現(xiàn)直接相互轉(zhuǎn)換的一種功能材料，可用熱電材料制成熱電器件實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，從而充分利用工業(yè)上的廢氣和廢熱；也可用熱電材料制成制冷機(jī)在一些特殊環(huán)境中替代傳統(tǒng)的制冷設(shè)備。熱電器件具有污染小、噪聲低、重量輕、體積小、攜帶方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此關(guān)于熱電材料的研究與應(yīng)用具有廣闊前景。Mg2Si是一種應(yīng)用于500K-800K溫度區(qū)間的性能優(yōu)良的熱電材料，其組成元素具有原料豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，但鎂化學(xué)活性高，容易氧化

2、，導(dǎo)致Mg2Si金屬化合物的制備比較困難，因此Mg2Si基熱電材料的制備已成為研究重點(diǎn)之一。本論文采用微波加熱合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Mg2Si基熱電材料的快速合成與產(chǎn)品致密化。微波加熱合成法是利用微波與物質(zhì)之間的相互作用產(chǎn)生的介質(zhì)損耗、電導(dǎo)損耗和磁損耗，在物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生熱量，使材料被整體加熱至反應(yīng)溫度從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)的一種新型材料合成方法，該方法具有體積加熱、選擇性加熱、非熱效應(yīng)等特點(diǎn)。論文從理論和實(shí)驗(yàn)方面探索微波加熱金屬粉體的加熱特性及

3、發(fā)熱機(jī)理，并以Mg2Si微波合成實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了微波固相合成Mg2Si反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)及機(jī)制，同時(shí)研究了微波合成Mg2Si和Mg2Si1-xSn熱電材料的工藝、熱電性能、物相結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究工作，本論文得到如下主要研究結(jié)論：
　　(1) Mg2Si基半導(dǎo)體材料在微波加熱過(guò)程中，加熱機(jī)理低溫時(shí)主要以介電損耗為主，高溫時(shí)主要以電導(dǎo)損耗加熱為主。
　　(2) Mg2Si壓坯在微波場(chǎng)中的加熱升溫特性與Mg2Si壓坯密度、元素組

4、成和微波輸出功率有關(guān)：壓坯密度越小，加熱速率越快，最終所能加熱的溫度也越高，但Mg2Si壓坯在微波場(chǎng)中最終所能達(dá)到的最高溫度與Mg2Si壓坯初始密度無(wú)關(guān)；微波輸出功率越大，Mg2Si壓坯加熱速度越快；隨Sn含量增加，Mg2Si1-xSnx壓坯加熱速度降低，Mg2Si壓坯的加熱速度較Mg2Sn壓坯快。
　　(3)采用微波輔助加熱，制備了Sn摻雜的Mg2Si1-xSnx(x=0、0.2、0.4、0.6、0.8)熱電材料，并應(yīng)用X-射線(xiàn)

5、分析儀(XRD)、電子顯微鏡和掃描電鏡（帶能譜分析）分析了試樣的物相組成、結(jié)構(gòu)形貌。分析結(jié)果表明：采用合適的微波加熱工藝制度可以有效抑制Mg氧化；合適的Mg過(guò)量可以補(bǔ)償Mg的揮發(fā)；當(dāng)Mg過(guò)量8at％、微波加熱功率在2.5Kw(853K)條件下保溫30min時(shí)，可以得到純度較高的Mg2Si熱電材料。同時(shí)XRD分析表明：在微波輻射下Mg2Si1-xSnx形成了良好的固溶體并原位形成Mg2(Si，Sn)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，該方法具有反應(yīng)溫度低，合

6、成速度快等優(yōu)點(diǎn)。
　　(4)通過(guò)對(duì)Mg2Si基熱電材料進(jìn)行熱電性能測(cè)試，結(jié)果表明：所有的Mg2Si基熱電材料試樣的電導(dǎo)率均隨溫度的升高而升高，這表明Mg2Si基熱電材料呈現(xiàn)半導(dǎo)體傳輸特性，Seebeck系數(shù)為負(fù)值，材料為n型半導(dǎo)體。而且隨著Sn含量的增加，Mg2Si1-xSnx合金的Seebeck系數(shù)的絕對(duì)值和電導(dǎo)率增加，熱導(dǎo)率降低60％。在500K時(shí)，Mg2Si0.4Sn0.6固溶體的ZTmax為0.26，為未摻雜試樣的2倍，可

7、見(jiàn)Sn能極大地改善Mg2Si的熱電性能，相比較其它重金屬元素，Sn可獲得更高的熱電性能，且資源更為豐富。因此，采用微波輔助加熱合成并摻雜Sn元素形成固溶體是一種提高M(jìn)g2Si熱電材料性能的新途徑。
　　(5)通過(guò)對(duì)微波加熱合成Mg2Si反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，建立了轉(zhuǎn)化率與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，從而計(jì)算出Mg2Si生成反應(yīng)的活化能，研究結(jié)果表明：微波電磁場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的影響主要表現(xiàn)在對(duì)指前因子及擴(kuò)散活化能的影響，微波加熱降低了Mg2Si反應(yīng)活化能