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稀土掺杂Mg_2Si基热电材料的快速合成及其性能分析

作　者: 王丽七
导　师: 孟庆森
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料学
关键词: Mg2Si 热电材料 稀土(RE) FAPAS 机械研磨 热电性能
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 179次
引　用: 1次
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内容摘要


热电材料,又称温差电材料,是一种能够实现热能和电能直接相互转换的功能材料。热电器件具有无污染、无噪声、易于维护、安全可靠等优点,在温差发电和热电制冷等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景,其主要应用于低品位热能发电,航天、微电子及制冷等领域。Mg2Si具有载流子有效质量大、迁移率高、原料丰富、价格低廉、环境友好等特点,是一种应用于500K-800K温度区间的优良热电材料。本文采用机械研磨—电场激活压力辅助合成（Field-Activated and Pressure-Assisted Synthesis,简称FAPAS）技术,实现了Mg2Si基热电材料的快速合成与致密化。制备了稀土（RE） Sc、Y掺杂的Mg2Si基热电材料,并与Sb及Sn进行掺杂对比。X射线衍射分析表明,Sc、Y、Sb均能与Mg2Si形成置换固溶体,其中Sc、Y取代Mg,Sb取代Si;微量掺杂元素不改变Mg2Si的主晶相,且峰形尖锐,结晶度好;三种元素在Mg2Si中的固溶极限分别为2500ppm,2000ppm和5000ppm;Y的掺杂实现了Mg2Si0.5Sn0.5的良好固溶。SEM断口形貌分析表明,Y没有改变Mg2Si的板条层状结构。FAPAS技术合成Mg2Si的ZTmax为传统热压法的1.42倍。掺杂不同含量的Sc、Y、Sb的功率因子均在掺杂量在固溶极限处为最佳,且明显高于未掺杂试样。其中掺杂2500ppmSc的试样为未掺杂试样的2.76倍,掺杂2000ppmY的试样为未掺杂试样的2.03倍,掺杂5000ppmSb的试样为未掺杂试样的2.73倍。掺杂2000ppmY试样的热导率比未掺杂试样降低20%,在468K时掺杂试样的ZT值是未掺杂试样的2.30倍, ZTmax达0.23,明显高于纯Mg2Si的ZTmax 0.18。采用FAPAS技术合成并掺杂稀土元素不失为一种提高Mg2Si基热电材料性能的新途径。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-28
  1.1 热电材料的研究背景  9-10
  1.2 热电效应及其应用  10-16
    1.2.1 热电效应  10-12
    1.2.2 热电效应的应用  12-16
  1.3 热电材料的研究进展  16-21
    1.3.1 传统热电材料  16
    1.3.2 新型热电材料  16-19
    1.3.3 热电材料的性能优化  19-21
  1.4 Mg_2Si 基热电材料研究现状及进展  21-26
    1.4.1 Mg_2Si 基热电材料的掺杂研究  22-24
    1.4.2 Mg_2Si 基热电材料的制备方法  24-26
  1.5 本文研究目的及研究内容  26-28
第二章 Mg_2Si 基热电材料试样制备及测试方法  28-34
  2.1 实验材料及仪器设备  28-29
    2.1.1 实验材料  28
    2.1.2 实验设备及仪器  28-29
  2.2 实验工艺流程  29-32
    2.2.1 原料配制与称量  30
    2.2.2 机械球磨细化  30-31
    2.2.3 预压成型  31
    2.2.4 FAPAS 合成  31-32
  2.3 产物的物相和微观形貌分析  32
  2.4 材料热电性能测试  32-34
第三章 Mg_2Si 基热电材料的合成及物相结构分析  34-54
  3.1 FAPAS 的合成原理  34-36
    3.1.1 电场的作用  34-35
    3.1.2 压力的作用  35-36
  3.2 FAPAS 合成过程的主要工艺条件  36-40
    3.2.1 机械球磨工艺  36-39
    3.2.2 FAPAS 反应合成工艺  39-40
  3.3 Mg_2Si 基热电材料的合成及物相结构分析  40-52
    3.3.1 Mg_2Si 的合成及物相分析  40-44
    3.3.2 稀土元素Sc 掺杂的Mg_2Si 的合成与物相分析  44-46
    3.3.3 稀土元素Y 掺杂的Mg_2Si 的合成与物相分析  46-48
    3.3.4 稀土元素Y 掺杂的Mg_2Si0.55110.5 四元固溶体的合成与物相分析  48-50
    3.3.5 Sb 掺杂的Mg_2Si 的合成及物相分析  50-52
  3.4 本章小结  52-54
第四章 Mg_2Si 基化合物的热电性能研究  54-75
  4.1 Mg_2Si 基热电材料的热电性能结果及分析  54-68
    4.1.1 Mg_2Si 的热电性能结果及分析  54-58
    4.1.2 稀土Sc 掺杂Mg_2Si 的热电性能结果及分析  58-61
    4.1.3 稀土Y 掺杂Mg_2Si 的热电性能结果及分析  61-65
    4.1.4 Sb 掺杂Mg_2Si 的热电性能结果及分析  65-68
  4.2 Mg_2Si 基热电材料电性能的影响因素  68-73
    4.2.1 掺杂元素对试样电性能的影响  68-71
    4.2.2 FAPAS 工艺对Mg_2Si 基材料电性能的影响  71-73
  4.3 本章小结  73-75
第五章 结论与展望  75-77
参考文献  77-83
致谢  83-84
攻读硕士期间所发表的论文目录  84

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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