Effect of current on the microstructure and performance of (Bi_2Te_3)_(0.2)(Sb_2Te_3)_(0.8) thermoelectric material via field activated and pressure assisted sintering

(Bi_2Te_3)_(0.2)(Sb_2Te_3)_(0.8) thermoelectric material was sintered via a field activated and pressure assisted sintering(FAPAS) process.By applying different current intensity(0,60,320 A/cm~2) in the sintering process,the effects of electric current on the microstructure and thermoelectric performance were investigated.This demonstrated that the application of electric current in the sintering process could significantly improve the uniformity and density of(Bi_2Te_3)_(0.2)(Sb_2Te_3)_(0.8) samples.Whe...     

电场对Bi-Sb-Te热电材料微观结构及其性能影响

分别采用热压、低电场强度和高电场强度3种工艺烧结制备Bi1.2Sb4.8Te9热电材料,测试、对比分析3组试样的微观结构和热电传输性能。结果表明,采用电场加热方式烧结可有效提高材料的致密度,且在大电场强度工艺下晶粒择优取向。电场可使材料内缺陷减少,载流子浓度下降,同时提高载流子迁移率,使材料综合电性能提高,晶粒择优取向有助于降低材料热导率,这些都有助于热电材料ZT值的提高。     

Mg2Si热电材料与Cu/Ni复合电极的接头界面及性能

为保证热连接过程中热电材料与导流电极之间实现良好连接,同时形成有效的阻隔界面防止界面元素扩散致使材料性能下降,本研究以Cu片作电极,引入中间层Ni箔作扩散阻挡层,采用电场激活压力辅助烧结(FAPAS)法,在合成高纯硅化镁(Mg_2Si)热电材料的同时,同步制得Cu/Ni/Mg_2Si热电接头。利用SEM、EDS以及XRD对接头界面的微观相组成、元素扩散特征以及新相生长规律进行了探讨,并且采用热震试验和四探针法对接头分别进行了力学性能和电传输性能的测试。结果表明,合成的Mg_2Si纯度高,高温热膨胀性能稳定;Ni层能有效阻隔界面元素扩散,与Mg_2Si实现良好的冶金结合,连接界面新相层的生成次序依次为Mg_2Si Ni3和Mg2Ni。Cu/Ni/Mg_2Si具有较好的热膨胀匹配性能,连接界面在持续60次的热震循环后依然保持完整。随着时效时间延长,界面扩散层增厚,接触电阻有所增大,与t~(1/2)具有近线性关系,且700℃下未时效的接头获得最小接触电阻率112μ?·cm~2。     

梯度金属陶瓷(TiC)_pNi与Ti燃烧扩散连接界面组织及力学性能

采用MA-FAPAS工艺,借助中间层TiAl的燃烧反应放热,原位合成了梯度金属陶瓷(TiC)pNi和金属间化合物TiAl,并同步完成了(TiC)pNi/TiAl/Ti的扩散连接,研究了在外加温度场、电场和应力场耦合作用下连接结构的形成机制。利用FE-SEM、TEM和XRD等手段对各层及连接界面的微观结构和相组成,以及电场作用下各连接界面元素扩散特征进行分析;采用显微硬度压痕法对连接界面的韧性进行分析;采用剪切法、冷淬法和有限元法对界面结合强度和残余应力分布进行分析计算。结果表明,各燃烧层均发生充分反应并形成了良好的冶金结合,连接界面处存在强烈的元素交互扩散;连接界面具有较强的抗剥离和抗剪切强度,(TiC)PNi/TiAl界面为接头的薄弱环节。     

梯度金属陶瓷(TiC)pNi与Ti燃烧扩散连接界面组织及力学性能

采用MA-FAPAS工艺,借助中间层TiAl的燃烧反应放热,原位合成了梯度金属陶瓷(TiC)pNi和金属间化合物TiAl,并同步完成了(TiC)pNi/TiAl/Ti的扩散连接,研究了在外加温度场、电场和应力场耦合作用下连接结构的形成机制.利用FE-SEM、TEM和XRD等手段对各层及连接界面的微观结构和相组成,以及电场作用下各连接界面元素扩散特征进行分析;采用显微硬度压痕法对连接界面的韧性进行分析;采用剪切法、冷淬法和有限元法对界面结合强度和残余应力分布进行分析计算.结果表明,各燃烧层均发生充分反应并形成了良好的冶金结合,连接界面处存在强烈的元素交互扩散;连接界面具有较强的抗剥离和抗剪切强度,(TiC)pNi/TiAl界面为接头的薄弱环节.     

能带优化和载流子调控改善SnTe的热电性能

作为ⅣA族碲化物,SnTe具有与PbTe相同的晶体结构和相似的双价带结构,是一种非常有前途的热电材料,但高温软化和低温热电性能差等问题阻碍了其进一步推广应用。因此,提升SnTe的平均热电优值,拓宽服役区间,有重要的研究意义。能带工程和晶格工程可同时优化功率因子和晶格热导率,提升SnTe的热电性能。本研究采用MgSe合金化策略,通过熔炼和放电等离子烧结(SPS)的方法制备了一系列Sn_1-yPb_yTe-x%MgSe(0.01≤y≤0.05,0≤x≤6)样品。研究发现,合金化MgSe可增大能带带隙,有效抑制本征SnTe在高温段的双极扩散,使高温Seebeck系数得到提升,同时声子散射降低了体系晶格热导率,使高温热电性能(873 K)提升了100%;掺杂Pb元素可有效调制载流子浓度抑制电子热导率,从而提升SnTe平均热电性能。其中,Sn_0.96Pb_0.04Te-4%MgSe样品在873 K的ZT为1.5,423～873 K的平均ZT达到0.8,得到了比文献更优异的结果。     

孤对电子对碲热电传输性能的影响

碲(Te)是一种良好的单质热电(TE)材料,具有很高的Seebeck系数和载流子迁移率,以及非常低的热导率。本工作采用热压法制备了Te以及Sb掺杂的Te多晶,采用垂直布里奇曼下降法制备了Te晶体,并对得到的晶体进行热电性能测试研究。结果表明:Te具有高的Seebeck系数以及电导率,Sb掺杂有效提高了Te的热电性能,由布里奇曼法制备的Te晶体的电导率表现出明显的各向异性。这主要归因于Te具有简并的能带、阶梯状的态密度分布和超大的声子散射相。然而这些有益于热电传输的特征又都源自于Te晶格中的孤对电子。本工作展示了孤对电子与各热电传输性能之间的联系,为热电参数解耦提供了一种新的方法,同时也为寻找优异的热电材料提供了思路。     

微波辅助MgH2固相反应法制备Mg2Si1-xSnx基热电材料及性能研究

在微波作用下利用MgH2 、纳米 Si粉 、Sn粉和Bi粉进行固相反应,结合电场激活压力辅助合成法（FAPAS）制备了高纯Bi掺杂的Mg2Si1-xSnx（0.4≦x≦0.6）基固溶体热电材料,并对其微观结构和热电性能进行了表征。研究结果表明,MgH2替代传统原料Mg粉显著降低了固相反应温度且防止了Mg的挥发和氧化,同时微波快速低温加热有效抑制晶粒长大,可获得平均晶粒尺寸为200nm的高纯产物。在300-750K的温度区间对样品热电性能进行测试,结果表明细小的片层固溶体组织和Bi的掺杂有效降低了样品热导率,同时改善了其电性能,在600K时,含1.5at%Bi的Mg2Si0.4Sn0.6热电材料具有最大ZT值0.91。     

Ca_3Co_4O_(9+δ)热电陶瓷的晶粒细化及其电学性能研究

以乙二醇(EG)为溶剂,采用柠檬酸溶胶-凝胶法成功制备了晶粒细化的Ca3Co4O9+δ粉体,结合SPS烧结技术烧结成陶瓷块体,分析了晶粒尺寸对Ca3Co4O9+δ电学性能的影响。研究发现,以EG为溶剂能有效降低晶粒尺寸,XRD和SEM表征结果表明所制备的粉体及块体均为纯相Ca3Co4O9+δ;随着溶剂中EG比例的增加,粉体粒径由1000nm降低至100nm,相应Ca3Co4O9+δ块体的层状晶粒厚度也由1000nm降低至约120nm。电性能测试结果表明,晶粒细化提高了试样的电性能,虽晶粒细化影响了电导率的提高,但Seebeck系数增加,最终试样功率因子增大,当晶粒尺寸为120nm、880K时其功率因子可达299.4×10-6 W/(m·K2)。     

Preparation of rare-earth element doped Mg_2Si by FAPAS

正Rare-earth elements(Re) Sc and Y doped Mg_2Si thermoelectric materials were made via a field-activated and pressure-assisted synthesis(FAPAS) method at 1023-1073 K,50 MPa for 15 min.The samples created using this method have uniform and compact structures.The average grain size was about 1.5-2μm,the micro-content of Re did not change the matrix morphology.The sample with 2500 ppm Sc obtained the best Seebeck coefficient absolute value,about 1.93 times of that belonging to non-doped Mg_2Si at about 408 K.The electric conductivity of the sample doped with 2000 ppm Y becomes 1.69 times of that of pure Mg_2Si at 468 K,while the former had a better comprehensive electrical performance.Their thermal conductivity was reduced to 70%and 84% of that of non-doped Mg_2Si.Thus,the figure of merit and ZT of these two samples were enhanced visibly,which were 3.3 and 2.4 times of the non-doped samples at 408 K and 468 K,respectively.The maximal ZT belonging to samples doped with 2500 ppm Sc went up to 0.42 at about 498 K,higher than 0.40 of sample doped with 2000 ppm Y at 528 K and 0.25 of non-doped Mg_2Si at 678 K,and the samples doped with Sc seemed to get the best thermoelectric performances at lower temperature.