SnSe基材料的热电性能与力学性能研究

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热电转换技术,具有无机械运动以及在发电过程中不产生任何污染和噪音等众多优点,它是一种新型的能源转换技术,近几十年来已成为研究的热点。热电材料的转换效率由无量纲的ZT表示,ZT=S2σT/κ,其中,S、σ、κ、T分别为Seebeck系数、电导率、热导率、绝对温度。SnSe是一种适用于中温的半导体热电材料,热稳定性好,原料储量丰富且环境友好,无毒。由于其特殊的晶体结构和能带结构,单晶SnSe的热电优值在923 K处达到最大值2.62,是目前热电性能最高的热电材料。但是,单晶SnSe热电材料在b-c面方向易解理、机械性能差。而且,由于制备条件苛刻、制备周期长、产率低,单晶制备成本大大提升,严重限制了单晶SnSe的大规模工业应用。因此,能克服以上两点缺陷的多晶SnSe材料的制备及热电性能优化成为研究的热点和关键。本文围绕高温高压烧结制备多晶SnSe材料的热电性能和力学性能展开研究,主要研究内容和成果如下:(1)本文首先对多晶SnSe熔炼反应的合成工艺条件进行了优化,在此基础上采用高温高压烧结技术,在限定工作压力为2.5 GPa,保温时间为7 min的条件下,采用不同的烧结温度制备出致密多晶SnSe块体,系统研究了高温高压烧结温度对多晶SnSe热电性能的影响。在烧结温度为623 K时,取得最佳热电性能0.45。(2)以最佳高温高压烧结工艺,在多晶SnSe基体中引入K2Ti6O13晶须,结合超声分散和球磨技术,制备了晶须分布相对均匀的SnSe+x vol%K2Ti6O13(x=0,1,3,5)样品。复合材料的热电优值随着K2Ti6O13晶须体积分数的增加而减小。从样品的断口扫描电镜图观察到,K2Ti6O13晶须大多镶嵌在基体表面,且分散相对均匀。K2Ti6O13晶须的引入显著增强了材料的力学性能。相比x=0的样品,x=5的样品的维氏硬度增加了31%,弯曲强度提高了98%,压缩强度提高了86%,断裂韧性提高了71%。(3)采用SPS制备了一系列的SnSe+x vol%K2Ti6O13(x=0,1,3,5)样品,研究了引入K2Ti6O13晶须对其热电性能及力学性能的影响。随着K2Ti6O13晶须体积分数的增加,热电性能逐渐减小;力学性能先增加后减小,在x=3时力学性能取得最大值。相比x=0的样品,x=3的样品维氏硬度增加了33%,弯曲强度提高20%,压缩强度提高39%,断裂韧性提高22%。
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