n型Bi1-xSbx合金的快速制備及其低溫熱電性能研究.pdf

1、Bi-Sb合金熱電材料因在低溫區(qū)具有較好的電性能,較大的Seebeck系數(shù)和大的載流子遷移率,是目前在低溫(10～250 K)下熱電性能最好的熱電材料之一。可廣泛應用于航空、計算機芯片、紅外探測器和超導及各類民用領域。目前制各Bi1-xSbx合金材料的主要方法有熔融淬火結(jié)合長時間擴散退火、機械合金化結(jié)合熱壓或SPS燒結(jié)、電化學沉積和溶劑熱法等。這些方法制備周期較長,對設備有一定要求,樣品的機械加工性能較差,塊體材料的熱電性能并沒有得到較

2、大提高,不利于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)應用。
　　 本論文以n型Bi-Sb合金為研究對象,探索了兩種新的高效制備Bi1-xSbx合金的方法—熔體旋甩結(jié)合放電等離子燒結(jié)(MS-SPS)法和超聲低溫濕化學法,研究了工藝參數(shù)、反應條件等因素對材料相組成、微結(jié)構(gòu)、成分均勻性及低溫熱電性能的影響規(guī)律,主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)采用熔體旋甩結(jié)合放電等離子燒結(jié)(MS-SPS)技術(shù)在3 h內(nèi)快速制備出塊體Bi1-xSbx合金,研究了Sb含

3、量和MS銅輥轉(zhuǎn)速對Bi1-xSbx合金材料的微結(jié)構(gòu)、成分均勻性、能帶結(jié)構(gòu)及低溫熱電性能的影響規(guī)律:
　　 隨Sb含量的增加,MS-SPS樣品Bi1-xSbx(x=0.09,0.11,0.13,0.15和0.17)的電導率及熱導率均逐漸降低,而Seebeck系數(shù)則表現(xiàn)出較為復雜的變化趨勢,且所有MS-SPS樣品的Seebeck系數(shù)均在50～100 K取得峰值。由于x=0.09樣品具有最高的電導率,其在150 K獲得最大的功率因子約

4、為5.0 mW·m-1·K-2。所有樣品中,x=0.15樣品表現(xiàn)出最佳的熱電傳輸性能。隨著MS冷卻速率的增加,樣品的晶粒逐漸細化,元素分布更加均勻,Seebeck系數(shù)逐漸增大,熱導率逐漸降低,電導率仍然保持在較高水平,因此使樣品保持了較高的功率因子。此外,微結(jié)構(gòu)和成分均勻性的變化顯著改變了材料的電熱傳輸性能,隨著成分均勻性的增加,樣品遷移率大幅升高,其中,MS冷卻速率最大的MS-SPS-45樣品Bi85Sb15在120 K獲得最大的熱電

5、優(yōu)值Z為1.90×10-3K-1。該技術(shù)工藝簡單,制備周期短,能耗低、且所得樣品和其他工藝獲得的多晶樣品性能相當。
　　 (2)采用超聲低溫濕化學法和超聲輔助濕化學法快速制備了Bi1-xSbx納米合金,研究了不同Sb含量、反應時間、反應溫度、還原劑種類及含量、不同溶劑、pH值、絡合劑、表面活性劑等因素對產(chǎn)物相組成、微結(jié)構(gòu)及成分均勻性的影響規(guī)律,結(jié)果表明:
　　 以去離子水為溶劑,添加一定量的絡合劑EDTANa2、以AOT

6、或PVP為表面活性劑,在60℃下超聲反應1 h均可得到細小均勻、直徑15 nm左右、單相的Bi1-xSbx(x=0～0.22)納米球形顆粒。為了進一步改善產(chǎn)物的分散性,在超聲低溫濕化學法的基礎上,將所得產(chǎn)物進行攪拌反應即超聲輔助濕化學法,以去離子水為溶劑,以一定量的檸檬酸為絡合劑,AOT或PVP為表面活性劑,在80℃下攪拌反應5 h可得到單分散性、細小均勻、直徑20 nm左右、單相的Bi1-xSbx(x=0～0.22)納米球形顆粒。