P型PbTe基复合热电材料的制备与性能研究

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PbTe基热电材料是目前中高温区性能最好的热电材料,由于其热电性能与能带和微观结构密切相关,因此可通过掺杂和合金化来调整其能带结构,达到提高热电性能的目的。在此基础上,通过在基体中引入纳米相制备纳米复合热电材料,在多尺度范围内调控材料的微观结构,达到各热电参数的协同优化,该方法工艺简单、产量高,有利于批量化、低成本制备出性能优异的热电材料,对拓宽热电材料的应用领域具有重要意义。本研究采用熔融-淬火-退火技术制备x%Na掺杂PbTe-y%Sr Te的四元合金作为基体,探究了其最佳化学配比和烧结工艺。在最佳化学组成Pb0.98Na0.02Te-4%Sr Te的基础上,结合机械球磨技术,将SiC纳米颗粒、多壁碳纳米管(MWCNT)等纳米第二相与基体材料复合,来调控其微观结构。最后再将复合粉体进行放电等离子烧结(SPS),并系统的研究了复合热电材料的微观结构和热电性能。(1)采用熔融-淬火-退火技术成功的制备出x%Na掺杂PbTe-y%SrTe的合金,得到的粉体尺寸分布范围较宽,且形状不规则。在固定化学组成的情况下,通过改变烧结温度和压力并结合热电性能测试,确定出最佳烧结温度和烧结压力分别为550℃,60MPa。在最佳烧结温度和烧结压力的条件下,改变Na、SrTe的含量,探究了Na、SrTe的含量对PbTe合金热电性能的影响,最终确定出最佳配比为Pb0.98Na0.02Te-4%SrTe,在750K时基体的最高热电优值ZT可达1.53。(2)在上述工作的基础上,釆用机械球磨法制备了不同SiC含量的SiC/Pb0.98Na0.02Te-4%SrTe复合材料,利用XRD,FE-SEM和TEM等表征手段对复合材料的相组成以及微观形貌进行表征。结果表明:在基体中加入一定量的纳米SiC后,样品的致密度有所下降,能够显著降低基体的热导率。当SiC含量为0.5 vol.%时复合材料的热导率最低,与基体相比降低了28%。复合材料的ZT值相对于基体Pb0.98Na0.02Te-4%SrTe均有所提升;且当Si C含量为0.25 vol.%时,复合材料的ZT在750K时达到1.73,与基体Pb0.98Na0.02Te-4%SrTe材料相比,提高了11%。(3)釆用机械球磨法制备了MWCNT/Pb0.98Na0.02Te-4%SrTe复合材料。研究了MWCNT对Pb0.98Na0.02Te-4%SrTe的相组成、微观形貌及热电性能的影响。研究发现MWCNT对基体的热导率具有较大的影响,经MWCNT复合的样品热导率都低于未复合样品,复合材料的热导率随着MWCNT含量的增加而下降。当MWCNT含量为2.0 vol.%时,复合材料的热导率在700K时可达到0.85W/(m·K),与未复合的样品相比降低了15%。
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