论文部分内容阅读
当前,世界范围内的煤炭、石油、天然气等不可再生能源面临枯竭,环境污染问题日益凸显,威胁着人类的生存和发展。因而,新型清洁能源成为各国的研究热点,我国亦在“十二五规划”中将新能源的开发确立为国家战略。在此背景下,热电材料和高效热电发电技术的研究开发受到了各界的广泛关注和重视。热电材料是一种通过载流子(电子或空穴)的运动实现电能和热能直接相互转换的新型功能材料。热电器件具有尺寸小、重量轻、便于携带、可靠性高、使用寿命长、无噪声、无污染等优点,在工业余废热的回收利用,空间特殊电源,微电子及制冷等领域具有广阔的应用前景。电场激活压力辅助烧结技术是一种在电场、温度场以及应力场作用下实现粉末烧结快速致密化的烧结技术,广泛应用于热电材料的制备过程,并有实验表明采用电场辅助烧结技术可获得相比传统烧结方法更好的热电性能。但采用电场辅助热电材料的制备过程中的多物理场耦合效应及其对材料热电性能的影响还有待探究。从多场耦合角度来看,电场激活压力辅助烧结过程中,各场间交互作用显著,要单独讨论某一种场的作用是极其困难的。本文采用电场激活压力辅助烧结技术制备Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Sio.8Sno.2热电材料,并对其工艺过程进行改进。通过设置对比实验,结合有限元分析,分析不同烧结工艺过程中的电场、温度场分布,探究电场对Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Sio.8Sno.2热电材料微观结构和热电性能的影响。采用电场辅助烧结可显著提高试样的致密度,电场强度越大,致密度增加越大。采用大电场强度烧结Bi1.2Sb4.sTe9材料时,试样晶粒出现择优取向。而对于Mg2Sio.8Sno.2热电材料,采用电场辅助烧结可促进固溶体的形成；另外,在平行电流方向的轴向截面上观察到有特定走向的河流状花样。Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Sio.8Sno.2试样的微观形貌说明在烧结过程中施加电场可在沿电流方向促进物质的扩散。热电性能测试结果表明,在两种热电材料的烧结过程中施加电场均有助于提高其电学性能。电场辅助烧结可提高Bi1.2Sb4.8Te9热电材料的电导率和Seebeck系数,从而提高其电综合性能；采用大的电场强度烧结可在提高其电综合性能的同时,明显降低热导率,从而获得最优ZT值。不采用电场、采用低电场强度、采用高电场强度的三组试样的最大热电优值分别为0.46、0.48和0.57。而对于Mg2Sio.sSno.2热电材料,在烧结过程中施加电场可显著提高其电导率,但对提高其Seebeck系数并无显著效果。由于显著提高的电导率,采用低电场强度和高电场强度的试样功率因子最大值分别比不采用电场烧结的试样高1.17×10-3Wm-1K-2和1.28×10-Wm-1K-2。