Bi2Te3基热电材料的制备与性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李亚丽 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2009-06-07 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 宁波 |
| 导师 | 崔平 ; 许高杰 |
| 关键词 | Bi2Te3基热电材料 Seebeck系数 电导率 热导率 热电性能 |
| 学位专业 | 其它专业 |
| 中文摘要 | 热电材料是一种可以实现热能和电能直接相互转换的功能材料。热电器件又具有体积小、结构紧凑、无移动部件、工作时无噪声、无污染、寿命长等特点，使其在高科技领域有着极为广阔的应用前景。Bi2Te3基热电材料，作为当前室温附近热电性能最好的热电材料，已广泛用在热电制冷、热电发电、热电控温、热电传感器等方面。晶粒细微化纳米化和第二相纳米颗粒掺杂可有效降低声子热导率，是提高材料热电性能的重要途径，本论文采用不同的方法制备了具有纳米晶、细微晶、复相结构的Bi2Te3基热电材料，并研究了各种制备工艺对材料结构和性能的影响规律。另外，实际应用中的Bi2Te3基取向晶体材料，机械加工性能差，制作器件时加工困难，提高取向晶体材料的机械性能也是本论文的研究内容之一。主要研究结果如下： 1. 采用区域熔炼的方法在Bi0.4Sb1.6Te3+d基体中添加复相Zn1-δAlδO纳米颗粒，制备了Zn1-δAlδO/Bi0.4Sb1.6Te3+d复合材料，研究Zn1-δAlδO掺杂对材料结构及性能的研究规律。研究发现Zn1-δAlδO掺杂在基体中引入大量缺陷结构，有效增强声子散射效应，显著降低声子热导率，缺陷结构增大了载流子浓度，显著提高电导率σ，优化了电学性能(α2σ)，从而使Zn1-δAlδO/Bi0.4Sb1.6Te3+d复合材料在整个测量温度范围内ZT值都有明显提高。通过Zn1-δAlδO掺杂，首次打破了在实验研究中，复相掺杂降低声子热导率常以电导率的降低为代价的研究局限性，为Bi2Te3基热电材料的研究开辟了新的思路。 2. 采用湿化学法制备Bi2Te3纳米粉体材料，经热压和放电等离子烧结技术制备具有纳米级晶粒的块体材料。分析了湿化学法反应中影响纳米粉体形貌及成分组成的各个实验参数，阐述了其反应机制。与放电等离子烧结技术相比，热压烧结过程中伴随有部分晶粒显著长大的现象，不等大小的晶粒更有利于增强声子散射效应，降低热导率；晶粒生长趋于完整，缺陷结构降低，载流子浓度较低，Seebeck系数增大；由于晶粒长大，电子的迁移率增大，电导率变大。热压样品与放电等离子烧结样品相比，具有较低的热导率、较高的导电率、较大的Seebeck系数，所以具有较高的ZT值，ZTmax=1.01。放电等离子烧结工艺所制备的样品ZTmax=0.17。 3. 采用区域熔炼法、球磨和热压技术相结合的方法制备了由细微晶粒组成的P型和N型的Bi2Te3基块体热电材料。研究显示，细微晶粒可有效增强对声子效散射效应，显著降低Bi2Te3基热电材料的热导率，但其电学性能亦有不等程度的恶化。从整体性能上来看，P型热压块体材料与相应的区熔晶体材料对比，ZTmax向低温偏移；N型热电块体材料与相应的区熔晶体材料对比，ZTmax向高温偏移。这说明球磨—热压工艺引入了N型缺陷，使得P型材料载流子浓度降低，ZTmax向低温区移动；而N性材料载流子浓度增加，ZTmax向高温区移动。 4. 采用区域熔炼和热压工艺制备了Bi2Te3基热电材料，研究不同热压工艺对材料结构及性能的影响规律，获得最佳制备工艺，优化材料性能。研究显示，P型热压材料ZT值有所增大，主要源自于热导率(κ)的降低；N型区熔晶体材料经热压后电学性能(α2σ)降低，热导率(κ)明显降低，ZT值略微降低。热压块体材料所制作的制冷器件最大温差ΔTmax = 67.4℃，区域熔炼材料制作的器件ΔTmax=68.5℃。热压材料的抗弯强度约为50MPa，而晶体材料的抗弯强度约为10MPa，材料的可加工性及其器件的使用稳定性可靠性显著提高。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-01-12 |
| 源URL | [http://ir.nimte.ac.cn/handle/174433/262]  |
| 专题 | 宁波材料技术与工程研究所_硕/博士论文成果 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李亚丽. Bi2Te3基热电材料的制备与性能研究[D]. 宁波. 中国科学院研究生院. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：宁波材料技术与工程研究所
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