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文檔簡介
1、為了提高熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率,進一步提高其熱電性能,滿足熱電材料高電導率、高 Seebeck系數(shù)和低熱導率的要求,本文采用材料計算設(shè)計的方法對新型 Half-Heusler化合物基熱電材料體系進行了優(yōu)化設(shè)計,并對所設(shè)計的材料體系進行了制備和表征,從實驗上驗證了優(yōu)化結(jié)論的正確性。
基于第一性原理方法,使用Material Studio4.0計算軟件的CASTEP模塊首先計算了19種Half-Heusler化合物的晶體結(jié)構(gòu)與電子
2、結(jié)構(gòu),根據(jù)費米能級附近態(tài)密度的大小和能帶分布規(guī)律,通過分析比較確定了 TiFeSb化合物作為新型Half-Heusler化合物基熱電材料的基體。隨后,從摻雜體系的原子占位、彈性性質(zhì)、電子輸運性質(zhì)和聲子輸運性質(zhì)等角度出發(fā),考察了摻雜量為8.33at%的46種摻雜元素對 TiFeSb基熱電材料體系的影響,并選擇了其中一種摻雜體系(Ti0.75Mn0.25)FeSb進行實驗驗證。
根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果,對Mn摻雜的TiFeSb體系進行
3、了實驗研究。利用固相反應(yīng)合成和放電等離子體燒結(jié)的方法制備了TiFeSb和(Ti0.75Mn0.25)FeSb兩種塊體材料。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等測試手段對其微觀組織結(jié)構(gòu)進行了表征,使用ZEM-3熱電性能測量裝置和激光熱導分析儀對材料的熱電性能進行了測試。
由于目前尚未有TiFeSb相和(Ti0.75Mn0.25)FeSb相的標準粉末衍射卡片的相關(guān)報道,所以利用Material Studio4.0軟件的R
4、EFLEX模塊首先計算了這兩種相的理論X射線衍射譜。實驗研究結(jié)果表明,采用850℃固相反應(yīng)144h的前驅(qū)體粉末在800℃、40MPa的壓力下進行放電等離子體燒結(jié),可以獲得 TiFeSb和(Ti0.75Mn0.25)FeSb塊體材料。實驗測得的X射線衍射譜與模擬計算的理論衍射譜可以獲得很好的對應(yīng),且晶格常數(shù)實驗值與計算值的相對誤差小于0.3%,說明計算模型和參數(shù)選擇合理。組織結(jié)構(gòu)分析表明TiFeSb和(Ti0.75Mn0.25)FeSb相
5、的晶粒內(nèi)部組織呈板條結(jié)構(gòu),且成分分析結(jié)果與設(shè)計成分相吻合,說明所制備材料達到了成分設(shè)計要求。熱電性能測試結(jié)果表明,TiFeSb和(Ti0.75Mn0.25)FeSb的Seebeck系數(shù)均為正值,都是 p型熱電材料;50℃時,Mn摻雜的(Ti0.75Mn0.25)FeSb的熱電優(yōu)值 ZT為0.047,與未摻雜的TiFeSb體系的ZT值(0.011)相比,提高了4.27倍。該結(jié)果證實了理論計算過程中所得出的結(jié)論,說明所提出的新型Half-H
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