n型Bi-,2-Te-,3-系熱電材料成型與性能研究.pdf

1、熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)電能和熱能之間的直接轉(zhuǎn)換，在某些場合應(yīng)用優(yōu)勢明顯。Bi2Te3系材料是當(dāng)前應(yīng)用最廣的熱電材料，主要采用布里奇曼（Bridgman）法制備，但其機械強度低，易解理。通過使用先熔煉合金再粉碎熔塊，再用燒結(jié)成型雖可以提高材料機械加工性能，但是這種方法的工序多、成本高，且材料的熱電性能較低。本文首先綜述了熱電材料的發(fā)展情況，并對粉末冶金方法制備Bi2Te3系熱電材料做了介紹。機械合金化是一種制備粉末材料的常用方法，能夠?qū)⒃挤勰?/p>

2、通過球磨直接合成合金粉末，制備出熔煉法無法合成的材料，具備低成本的優(yōu)勢。本文采用機械合金化方法制備n型Bi2Te3系合金粉末，再利用熱壓方法燒結(jié)成型；為提高材料的熱電性能，對熱壓樣品進(jìn)行了熱擠壓對于材料熱電性能的影響的探索性工作。本文首先對n型Bi2Te3系熱電材料的機械合金化工藝進(jìn)行了摸索，通過XRD和DTA分析表明經(jīng)4小時球磨之后即已獲得單相的Bi2Te3粉末。對經(jīng)過機械合金化處理的合金粉末，進(jìn)行了熱壓成型的工作。發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)溫度的

3、升高，材料熱電性能逐漸升高。斷口分析表明，340℃熱壓樣品尚未充分燒結(jié)。較長的燒結(jié)時間能夠獲得更好的熱電性能，但是過長的溫度反而導(dǎo)致部分晶粒長大，不利于材料熱電性能的提高，熱壓燒結(jié)4小時之后的樣品具有最好的熱電性能，能夠獲得的熱電優(yōu)值Z＝1.7×10-3/K。為了改進(jìn)材料的熱電性能，本文選擇了Ag元素和Sn元素進(jìn)行摻雜實驗。實驗結(jié)果表明，0.20wt.﹪的Ag摻雜能夠增加材料熱電性能，相比未進(jìn)行摻雜的材料而言，性能從Z＝1.3×10-3

4、/K提高到了1.7×10-3/K。Sn摻雜則對于熱電性能有負(fù)面影響，因為較高含量的Sn摻雜導(dǎo)致了富Te的第二相的出現(xiàn)，使得材料熱電性能下降。由于粉末冶金方法獲得的Bi2Te3系雖然能夠通過晶粒細(xì)化提高材料的機械性能，但是同時也喪失了熱電性能的各向異性，導(dǎo)致熱電性能的降低。為此，本文嘗試了Bi2Te3系熱電材料的熱擠壓工作。通過對變形過程的受力、塑性成型模擬的應(yīng)力場以及實驗結(jié)果的的綜合分析，初步確定了擠壓過程中影響材料表面質(zhì)量問題的主要原

5、因，并對擠壓過程進(jìn)行了改進(jìn)。對熱擠壓材料熱電性能的測試和微觀結(jié)構(gòu)的分析表明，通過熱擠壓過程，能夠獲得具有一定取向的組織結(jié)構(gòu)，材料的功率因子得到提高。為了進(jìn)一步提高材料的熱電性能，本文還對熱壓樣品和熱擠壓樣品進(jìn)行了退火實驗，發(fā)現(xiàn)退火溫度高于450℃時導(dǎo)致樣品中殘余氣孔的膨脹，致使材料致密度下降很大，熱電性能因此而降低。本文400℃下的熱壓樣品和熱擠壓樣品的退火實驗表明，樣品的熱電性能隨著退火溫度的延長，表現(xiàn)出“Λ”形的變化趨勢，18小時退