2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、近年來,環(huán)境污染與能源短缺等問題日益突出,嚴(yán)重制約著人類生存及社會發(fā)展,因此發(fā)展清潔能源和新能源技術(shù)成為目前國際社會關(guān)注的重點。其中,熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)作為一種環(huán)境友好型新能源技術(shù),能利用熱電材料的Seebeck效應(yīng)和Peltier效應(yīng)實現(xiàn)熱能和電能的直接相互轉(zhuǎn)換。Bi2Te3基化合物是目前發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的一類熱電材料,在熱電制冷和低溫?zé)犭姲l(fā)電領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力。目前,商業(yè)上主要采用區(qū)熔法(ZM)批量制備n型和p型Bi2Te3基化合

2、物,其最大熱電優(yōu)值ZT可達(dá)1.0左右,但區(qū)熔材料具有高度擇優(yōu)取向、力學(xué)性能差,導(dǎo)致其成品率低、加工缺陷多、使用過程中易破壞。此外,Bi2Te3體系應(yīng)用于熱電發(fā)電時會經(jīng)歷大量且長期的熱循環(huán)及振動應(yīng)力,因此改善區(qū)熔 Bi2Te3基材料的力學(xué)性能和機(jī)械加工性對于提高器件的長期穩(wěn)定性和可靠性、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。
  本論文以p型Bi0.5Sb1.5Te3化合物為研究對象,針對其商業(yè)化區(qū)熔棒材的熱電性能較低和力學(xué)性能較差等問題,采

3、用熔體旋甩結(jié)合等離子活化燒結(jié)(MS-PAS)技術(shù)同時優(yōu)化材料的熱電性能和力學(xué)性能。系統(tǒng)研究 MS工藝參數(shù)(包括單次樣品制備量、腔體氣壓、銅輥轉(zhuǎn)速)對材料相組成、微結(jié)構(gòu)、熱電性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律。與 ZM材料對比,深入分析 MS-PAS樣品的斷裂機(jī)理。通過疲勞實驗和熱穩(wěn)定性研究,模擬材料在實際服役條件下的狀態(tài),探索 MS-PAS樣品中疲勞裂紋擴(kuò)展及缺陷結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。本論文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下:
  以p型Bi0.5Sb1

4、.5Te3區(qū)熔棒材為初始原料,系統(tǒng)研究了MS工藝參數(shù)對薄帶相組成、微結(jié)構(gòu)、產(chǎn)率及塊體材料熱電性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:改變 MS工藝參數(shù)(單次樣品制備量、腔體氣壓、銅輥轉(zhuǎn)速)不影響薄帶的相組成,所有樣品均為Bi0.5Sb1.5Te3單相。薄帶的自由面和接觸面分別表現(xiàn)為典型的枝晶、納米晶結(jié)構(gòu),隨著銅輥轉(zhuǎn)速增加,接觸面上的納米晶逐漸細(xì)化;PAS燒結(jié)后的塊體材料沒有明顯取向,晶粒顯著細(xì)化,晶界處含有大量尺寸約為50 nm的富Sb第二相。其中,

5、銅輥轉(zhuǎn)速為10 m/s的樣品因具有多尺度結(jié)構(gòu),能散射更寬頻段的聲子,導(dǎo)致樣品的晶格熱導(dǎo)率大幅降低,其最大ZT值在340 K達(dá)到1.22,相比ZM樣品提高近40%。
  系統(tǒng)研究了銅輥轉(zhuǎn)速對材料靜態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律,結(jié)合FESEM微結(jié)構(gòu)表征,分析了MS-PAS樣品的斷裂機(jī)理和增韌機(jī)理。ZM樣品具有明顯擇優(yōu)取向,層間以較弱的范德瓦爾斯鍵結(jié)合,導(dǎo)致材料易發(fā)生解理,力學(xué)性能較差。采用MS-PAS技術(shù)能顯著改善 ZM材料的力學(xué)性能和機(jī)械加

6、工性,這主要是由于MS-PAS技術(shù)細(xì)化了材料晶粒,相比ZM樣品,其維氏硬度Hv和斷裂韌性KIC分別提高約50%和26-40%,彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別提高約6倍和8倍。靜態(tài)力學(xué)性能破壞機(jī)制研究表明,MS-PAS技術(shù)引入了多尺度結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu),使材料在服役過程中出現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋聯(lián)和晶粒拔出等效應(yīng),消耗了裂紋擴(kuò)展能量,從而大幅提高了材料的力學(xué)性能,這對碲化鉍基材料的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。
  以熱電性能和力學(xué)性能均表現(xiàn)優(yōu)異的樣品(

7、即銅輥轉(zhuǎn)速為10 m/s樣品,MS10)為研究對象,系統(tǒng)研究了其壓縮疲勞實驗,確定其應(yīng)力-壽命曲線(S-N曲線),探索了材料的疲勞裂紋擴(kuò)展及微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。結(jié)果表明:隨著應(yīng)力水平的提高, MS10樣品的疲勞壽命逐漸降低,其中60%應(yīng)力水平下材料的疲勞壽命可達(dá)9.0×105次。MS10樣品的疲勞斷口觀察到典型的疲勞條帶和疲勞裂紋,所有疲勞樣品中均觀察到大量位錯、晶格畸變等缺陷結(jié)構(gòu),其濃度隨應(yīng)力水平提高顯著增大,且在晶界及納米顆粒附近容易產(chǎn)

8、生位錯塞積。
  闡明了ZM和MS-PAS材料的高溫力學(xué)性能及斷裂機(jī)理。隨著溫度升高,所有樣品的彎曲強(qiáng)度均先升高后降低,在373 K具有最大值。這主要是因為:一方面由于晶粒間的熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生微裂紋,促使導(dǎo)致斷裂的主裂紋分岔,使其擴(kuò)展路徑曲折,提高了材料的強(qiáng)度。另一方面高溫環(huán)境下晶界結(jié)合強(qiáng)度降低,導(dǎo)致裂紋易沿晶界擴(kuò)展。473 K下ZM和MS-PAS樣品的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均出現(xiàn)顯著降低,其中MS10樣品在473 K的彎曲強(qiáng)度和

9、壓縮強(qiáng)度相比室溫下分別降低約15%和25%。
  通過長時間退火系統(tǒng)研究了 ZM和 MS-PAS材料的熱電性能和力學(xué)性能的穩(wěn)定性,結(jié)果表明:473 K退火1周基本不改變材料的相組成和微結(jié)構(gòu),ZM和MS10樣品的熱電性能和力學(xué)性能均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。然而MS10樣品在573 K退火1周后,室溫載流子濃度僅為7×1018 cm-3,相比未退火樣品降低約60%,導(dǎo)致退火樣品的室溫電導(dǎo)率大幅降低,Seebeck系數(shù)升高,室溫下約為300

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