Mg2Si1-xSnx(0≤x≤1)化合物的低温固相反应合成与热电性能研究

采用低温固相反应法结合放电等离子体烧结法(SPS)合成了Mg2Si1-xSnx(0≤x≤1)三元化合物,研究了Sn固溶量对化合物热电性能的影响.结果表明,随Sn含量增加,材料电导率增加,Seebeck系数减小;材料晶格热导率先减小后增加,x=0.4时化合物晶格热导率最低,同时固溶体化合物的晶格热导率远低于Mg2Si和Mg2Sn二元化合物的晶格热导率,在室温附近Mg2Si1-xSnx固溶体化合物的晶格热导率均约为Mg2Si的1/3和Mg2Sn的1/2;Mg2Si0.8Sn0.2化合物具有最好的热电性能,在640K获得最大热电优值0.16.     

Mg2Sn热电粉体的低温固相反应合成及工艺控制

为了解决传统方法制备Mg2X(X=Si、Ge、Sn)基热电材料过程中带来Mg的氧化,挥发,碳化等问题,引进低温固相反应法,成功合成了Mg2Sn粉体,用DTA、XRD、SEM、EDS等分析手段对合成的粉体物相和形貌进行了表征,并系统研究了合成工艺对粉体制备的影响.结果表明:通过改变升温制度可以抑制Mg氧化;调节预压力大小可以有效抑制Sn析出,控制Mg过量可以补偿Mg的挥发;本实验条件下,当Mg过量0.0025mol、预成型压力20MPa、823K下保温8h时,可以得到单相Mg2Sn热电化合物粉体.     

Mg_2(Si,Sn)基热电材料研究进展

热电材料又称温差电材料,是利用固体中载流子和声子的输运及其相互作用实现热电相互转换的新型功能材料。热电材料可以将太阳辐射、工业废热、汽车尾气余热等转换成电能,对缓解污染和能源压力有重要意义。此外,热电制冷器件也具有低噪音、无污染、体积小和反应灵敏等压缩机制冷所不具备的优点,近年来受到研究者的广泛关注。材料的热电转换性能通过热电优值ZT表征,如何提高热电转换效率(即提高ZT值)成为研究者关注的热点。作为最具潜质的中温区热电材料之一,Mg2(Si,Sn)基热电材料由于其低廉的成本和无毒无害等优点,过去十几年被广泛研究。近年来,研究者们尝试了多种方法(如高频感应熔炼、固相反应加热压烧结、两步固相反应加放电等离子烧结和快速凝固加等离子活化烧结等)来获得高质量的Mg2(Si,Sn)块体。除此之外,研究者们还利用能带工程、单元素和双元素掺杂等方法来进一步提高材料的ZT值,这些方法可以使合金的ZT值从0.5提高到1.55。但是这类基于固相反应加烧结来制备纳米级晶粒块体材料的方法存在反应不完全和服役过程中晶粒易发生长大等问题。而且由于Mg元素极高的化学活泼性和挥发性,以及组成合金的各元素之间较大的熔点差,给熔炼法制备Mg2(Si,Sn)块体材料带来了很大的困难,极大地限制了材料热电性能的优化。因此,如何制备高质量的Mg2(Si,Sn)块体材料成为亟待解决的难题。本文综述了Mg2(Si,Sn)基热电材料制备方法的最新研究进展,以及能带工程和掺杂元素的选择等ZT值优化途径,提出存在的问题和未来的发展方向。同时,本文提出采用材料定向凝固方法制备Mg2(Si,Sn)单晶材料,并利用单晶各向异性来优化其热电性能,此方法有望解决纳米级晶粒块体材料服役过程中出现晶粒长大而导致的性能恶化问题,同时为此类合金热电材料的性能优化提供了新的思路。     

Sb对Mg-3Sn-1.5Al-1Zn-1.2Si合金组织性能的影响

在熔炼过程中以单质形式加入Sb,研究了0~1.8%(质量分数,下同)范围内不同含量的Sb对Mg-3Sn-1.5Al-1Zn-1.2Si合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,Sb能与Mg基体优先生成Mg3Sb2相,加入1.0%的Sb对Mg2Si相的汉字状结构变质作用显著,Mg2Si中的Si能与Sn发生取代反应,生成富Sn的Mg2(Si,Sn)。随着Sb的增加,铸态合金和挤压态合金的延伸率逐渐减小,而抗拉强度呈现先增加后降低的趋势,塑性和强度的最佳配合点约为1.0%,Sb含量的增加有利于改善Mg-3Sn-1.5Al-1Zn-1.2Si合金的耐热性能。     

Sb对Mg-3Sn-1.5Al-1Zn-1.2Si合金组织性能的影响

在熔炼过程中以单质形式加入Sb,研究了0~1.8%(质量分数,下同)范围内不同含量的Sb对Mg-3Sn-1.5Al-1Zn-1.2Si合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,Sb能与Mg基体优先生成Mg3Sb2相,加入1.0%的Sb对Mg2Si相的汉字状结构变质作用显著,Mg2Si中的Si能与Sn发生取代反应,生成富Sn的Mg2(Si,Sn)。随着Sb的增加,铸态合金和挤压态合金的延伸率逐渐减小,而抗拉强度呈现先增加后降低的趋势,塑性和强度的最佳配合点约为1.0%,Sb含量的增加有利于改善Mg-3Sn-1.5Al-1Zn-1.2Si合金的耐热性能。     

Gd和Sn掺杂BaTiO3陶瓷的介电性能

通过固相反应法制备了掺杂0.5%(摩尔比)Gd和10%(摩尔比)Sn的BaTiO3陶瓷材料,并对样品的介电性能在不同频率、温度下进行了研究.结果表明掺杂之后材料的居里点向低温方向移动,材料的介电常数显著增加.其中同时对BaTiO3的A位掺杂0.5%的Gd,对B位掺杂10%的Sn时,其居里点降至60℃,介电常数在0.005、1、100kHz下的峰值分别达到54000、51000、45000,而对应的tgδ分别为0.053、0.066、0.092.     

Mg2SiO4固相合成及其性能研究

以碱式碳酸镁和SiO2为原料,采用固相反应法合成MgzSiO4.结果表明,当Mg/Si比为2∶1.2,在1200℃以上空气气氛中预烧3h,能合成出单相的Mg2SiO4.在1280～1340℃保温2h烧结成瓷后,其1MH2介电常数为7.05±0.05,损耗角正切变化范围在(2～5)×10-4之间,体积密度为(3.1±0.5)g/cm3.     

掺杂LaGaO3基电解质的Sr-、Mg-掺杂量与相结构的关系

Sr、Mg掺杂的LaGaO3是固体氧化物燃料电池(SOFCs)研制中具有应用前景的一种固体电解质材料.用固相反应法合成了不同Sr、Mg掺杂量的LaGaO3材料,通过室温XRD分析,发现2种第二相:LaSrGaO4、LaSrGa3O7,并画出了其相区结构图;显微结构研究表明,在Sr掺杂量一定的条件下,随Mg的掺杂量的增加,LaSrGa3O7相出现并呈现出长大的趋势;LSGM0510的组织中出现了棒状基体组织,随Mg掺杂量的增加,该组织逐渐消失.     

(Mg2Si1-xSbx)0.4-（Mg2Sn）0.6固溶体合金的制备及热电输运特性

以Mg、Si、Sn、Sb块体为原料,采用熔炼结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了n型(Mg2Si1-xSbx)0.4-(Mg2Sn)0.6(0≤x≤0.0625)系列固溶体合金.结构及热电输运特性分析结果表明:当Mg原料过量8wt%时,可以弥补熔炼过程中Mg的挥发损失,形成单相(Mg2Si1-xSbx)0.4-(Mg2Sn)0.6固溶体.烧结样品的晶胞随Sb掺杂量的增加而增大;电阻率随Sb掺杂量的增加先减小后增大,当样品中Sb掺杂量x≤0.025时,样品电阻率呈现出半导体输运特性,Sb掺杂量x>0.025时,样品电阻率呈现为金属输运特性.Seebeck系数的绝对值随Sb掺杂量的增加先减小后增大;热导率κ在Sb掺杂量x≤0.025时比未掺杂Sb样品的热导率低,在Sb掺杂量x>0.025时高于未掺杂样品的热导率,但所有样品的晶格热导率明显低于未掺杂样品的晶格热导率.实验结果表明Sb的掺杂有利于降低晶格热导率和电阻率,提高中温区Seebeck系数绝对值;其中(Mg2Si0.95Sb0.05)0.4-(Mg2Sn)0.6合金具有最大ZT值,并在723 K附近取得最大值约为1.22.     

Mg1+xB2材料的制备及其超导电性研究

利用固相反应法制备了Mg1+xB2(x=0,0.1,0.2)超导体。粉末X射线衍射(XRD)表明过量Mg极易导致绝缘的MgB6和MgO杂相,Mg在MgB2中的固溶度很小,正常态电阻率随Mg过量增加而迅速增大。