两元P—型梯度结构热电材料FeSi2／Bi2Te3的制备与性能

采用热浸焊法用纯Sn作为过渡层制备了P－型FeSi2/Bi2Te3梯度结构热电材料并对其热电性能进行了测试,发现当热端温度在510℃以下时,梯度结构热电材料的平均Seebeck系数保持恒定,达220uV/K至250uV/K左右,显著高于单一均质材料（Bi2Te3和β－FeSi2)在相同温度范围内的平均Seebeck系数,梯度结构热电材料的输出功率较单种材料高1．5至2倍以上,且当材料经190℃,100h与200h的真空退火后,输出功率几乎不变,金相观察表明,在Sn层与两半导体界面处,没有明显的Sn 扩散迹象,说明在所试验的条件下,用Sn作为过渡层热稳定性较好。     

Bi2Te3基热电材料的湿化学还原法合成反应机制

以BiCl3、Te为初始原料，在NaOH所提供的碱性环境中利用EDTA包裹BP，采用NaBH4作为还原剂，由此通过湿化学还原法制备高纯Bi2Te3基粉体材料。利用X射线衍射（XRD）对粉体材料进行相组成分析，利用扫描电镜（SEM）和电子探针（EPMA）进行了形貌观察和元素成分表征。通过研究反应温度、还原剂NaBH4的含量以及EDTA的包裹效应对产物化学组分和显微形貌的影响规律，阐明了制备过程中的反应机制。结果显示：NaBH4加入量的适当改变以及EDTA的包裹效应可起到调节Bi^3＋、Te^4＋被还原速度的作用，从而有利于产物纯度的提高，并可获得晶粒尺度约为100-200nm的圆球状Bi2Te3基粉体材料。     

Bi2Te3片式阵列的制备及生成机理

以Bi（NO3）3和Te为反应物，在乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）与乙醇组成的混合溶剂以及过量强碱KOH的作用下，通过溶剂热反应，制得Bi2Te3热电材料的片式阵列纳米结构。利用XRD、SEM、EDX对产物的物相、形貌及成分进行了表征和研究。通过实验研究推断这种BizTe，片式阵列的形成过程可能是一个络合-成核-生长-脱离-组装的过程。     

采用Sn-Bi钎料钎焊Bi2Te3基热电材料与无氧铜

Bi2Te3基热电材料需与电极Cu连接构成热电模块.采用无铅钎料Sn-Bi及钎剂实现了大气环境中分别直接钎焊p型(Bi,Sb)2Te3与无氧Cu和n型Bi2(Te,Se)3与无氧Cu.观察了接头的组织及Sn,Cu,Bi元素在接头处的线分布和面分布.通过研究表明,Sn元素与p型(Bi,Sb)2Te3的反应比与n型Bi2(Te,Se)3剧烈,在(Bi,Sb)2Te3与Sn-Bi界面处形成了5～7 μm的Sn反应层;Cu元素在Cu/Sn-Bi界面处也形成几微米的反应层;温度增加,两种反应的程度均有增加趋势.利用Gleeble1500D试验机测试了两种类型接头的抗剪强度,结果表明,(Bi,Sb)2Te3/Sn-Bi/Cu接头平均抗剪强度为5.1MPa,Bi2(Te,Se)3/Sn-Bi/Cu接头则为4.4 MPa,(Bi,Sb)2Te3/Sn-Bi/Cu接头强度分散性高于Bi2(Te,Se)3/Sn-Bi/Cu接头.接头主要断裂于反应层,反应层的成分、组织和厚度是影响接头强度的关键因素.     

AgI掺杂量对n型Bi2Te2.85Se0.15材料热电性能的影响

采用机械合金化(MA)结合热压烧结(HP)技术制备了n型Bi2 Te2.85Se0.15热电材料,在常温下测量了电阻率(ρ)、塞贝克系数(α)和热导率(κ)等热电性能参数,考察了掺杂剂AgI的含量(质量百分比分别为0,0.1,0.2,0.3和0.4％)对材料热电性能的影响.结果表明:试样的电阻率和塞贝克系数的绝对值均随AgI掺杂量的提高而增大,热导率则随AgI掺杂量的提高而大幅降低,在AgI掺杂量为0.2％(质量)时有最大热电优值,为2.0×10-3/K.     

溶剂热合成Bi2Te3基合金的结构与电学性能

用溶剂热法合成了二元Bi2Te3和三元Bi1.3Sn0.7Te3合金纳米粉末,并采用热压技术制备了块状热电材料.XRD分析结果表明:Bi-Sn-Te三元固溶体合金可以直接通过溶剂热合成获得单相产物,而非掺杂Bi2Te3合金需要通过热压等后热处理来实现产物的单一化;热压过程有助于促进反应的完全和晶型的完整,但会导致晶粒的长大.对试样电导率σ和Seebeck系数α的测量结果显示,Bi-Sn-Te三元固溶体合金比二元Bi-Te合金具有更好的电学性能.     

无机有机复合材料Bi2Te3／PAn电化学嵌锂性能研究

采用机械共混法制备了复合材料Bi2Te3/PAn,并对其电化学嵌锂性能进行了研究.研究发现Bi2Te3/PAn快速充放电性能良好,在以100 mA·g-1的电流密度充放电时首次可逆容量为480 mAh·g-1,到第20个循环时容量保持在200mAh·g-1.通过非原位X射线衍射方法研究其嵌锂机理,发现Bi2Te3在首次放电时分解,在随后的循环中以Te和Bi为嵌锂中心进行可逆储锂.     

纳米SiC分散的Bi2Te3热电材料的制备与性能研究

用机械合金化工艺（MA）和放电等离子烧结工艺（SPS），制备出纳米SiC（平均直径约30nm）弥散分布的Bi2Te3热电材料，并研究了纳米SiC颗粒弥散对Bi2Te3性能的影响。实验采用MA合成纳米SiC分散Bi2Te3粉末，用SPS制备块体材料。XRD分析表明用MA和SPS成功制备了Bi2Te3合金，随着纳米SiC含量的增加，材料的颗粒尺寸减小，表明纳米SiC有抑制颗粒长大的作用。电学性能测试发现少量（体积分数≤1．0％）纳米SiC的加入对Bi2Te3电学性能有很大影响：虽然随着SiC含量的增加电导率有所降低，但Seebeck系数得到了提高。当加入0．1％SiC时，Seebeck系数和功率因子达到最大值，均高于纯Bi2Te3试样，随着SiC含量进一步增加，Seebeck系数和功率因子降低。显微硬度随着纳米SiC含量的增加也得到提高。综合实验结果表明极少量纳米SiC颗粒的加入可以提高Bi2Te3的电学性能和力学性能。     

共晶二元Sn基焊料与Bi2(Te0.9Se0.1)3基热电材料的界面反应

热电元件焊接常用的焊料为铟基焊料和铋基焊料.由于碲化铋材料与低熔点合金焊料之间的浸润性较差,常在碲化铋基热电元件上镀覆镍镀层.本文在大气条件下,不加助焊剂,采用共晶SnBi和SnIn焊料分别对n型热电元件进行了铺展实验及界面显微组织的观察.铺展温度主要选择了210℃和300℃,实验表明300℃界面结合比250℃更好.此外,热电元件表面通过蒸镀仪蒸镀上薄镍层.对含薄镍层的热电元件与不含镍层的热电元件的铺展实验进行对比,得到薄镍镀层可能会增加界面裂纹.     

热压烧结制备Sb2Te3热电材料的微结构研究

采用石英管真空封装高纯度的Sb和Te粉末,在800℃熔炼12h,炉冷后研磨制备Sb2Te3粉末,真空热压烧结(480℃,20 MPa,保温1h),制备出Sb2Te3块体材料.用XRD、SEM和EDS对材料的物相、形貌和成分进行表征.XRD分析表明,真空熔炼合成粉末和热压烧结块体材料的XRD图谱峰与Sb2Te3的标准衍射图谱相对应.Sb2Te3热压块体材料在平行于热压方向的断面上分布有大量层片状结构,层片厚度均小于1μm,在层片状结构之间均匀分布着短的片状结构.与热压方向垂直的断面上也是层片状结构,层片状较短且分布较均匀,层片厚度大多在1μm左右.材料中Sb和Te的原子百分数分别为38.2％、61.8％,接近2∶3的原子百分比.     

两元P-型梯度结构热电材料FeSi_2/Bi_2Te_3的制备与性能

采用热浸焊法用纯Sn作为过渡层制备了P 型FeSi2 /Bi2 Te3 梯度结构热电材料并对其热电性能进行了测试。发现当热端温度在 5 10℃以下时 ,梯度结构热电材料的平均Seebeck系数保持恒定 ,达 2 2 0 μV/K至 2 5 0μV/K左右 ,显著高于单一均质材料 (Bi2 Te3 和 β FeSi2 )在相同温度范围内的平均Seebeck系数。梯度结构热电材料的输出功率较单种材料高 1.5至 2倍以上 ,且当材料经 190℃ ,10 0h与 2 0 0h的真空退火后 ,输出功率几乎不变。金相观察表明 ,在Sn层与两半导体界面处 ,没有明显的Sn扩散迹象 ,说明在所试验的条件下 ,用Sn作为过渡层热稳定性较好。     

梯度功能材料研究的一些进展

综述了近年来梯度功能材料(FGM)在优化设计、制备、性能评价以及应用方面的最新研究进展，并对其中的热点问题作了系统阐述。对于热应力缓和型FGM，其优化设计的关键环节是准确分析残余热应力的大小和分布。液相法制备FGM以其低成本、操作简单的优势将会获得更大的发展。对FGM的性能测试要尽可能模拟实际使用环境下载荷的不均匀分布。梯度功能热障涂层是FGM的重要应用之一，它与传统的热障涂层相比可明显提高耐久性。此外，还介绍了FGM在面向等离子体护墙材料以及生物材料上的应用。     

SiC/Al功能梯度材料的电火花多脉冲温度场仿真

为探索Si C/Al功能梯度材料的电火花加工特性,建立了电火花加工连续多脉冲放电温度场仿真模型,开展了连续多脉冲放电蚀除动态模拟仿真研究,应用生死单元法分析了放电凹坑位置的随机分布情况,研究了峰值电流、脉冲宽度对放电凹坑和材料去除率的影响规律,并进行了实验验证。结果表明:随着峰值电流和脉冲宽度的增大,材料去除率逐渐提高,仿真结果与实验结果具有相同的变化趋势;误差分析显示,理论值与实验结果最大误差为9.84%,最小误差为5.10%。     

离心铸造法制备Al3Ti/Al原位自生功能梯度复合材料

采用离心铸造法，用TiO2粉末与纯铝熔液原位反应生成Al3Ti颗粒增强相，获得了组织和性能在径向上呈梯度分布的Al3Ti/Al功能梯度复合材料。考察了材料的显微组织和硬度，Al3Ti颗粒和材料硬度在径向上由外向内呈梯度分布。研究分析了离心和转速、TiO2加入量和激冷强度对复合材料组织和硬度的分布梯度的影响。结果表明，这些因素对复合材料组织和性能分布梯度的影响较大。     

VPS-EBW法制备W／Cu功能梯度材料及热负荷实验研究

采用真空等离子体喷涂-电子束焊接法制备出核聚变面对等离子体W／Cu功能梯度材料，梯度材料中成分分布均匀、密度较高。电子束辐照热负荷实验发现：8MW／m^2的热负荷条件下，样品可以承受20s的辐照：在2．5Mw／m^2，4．5MW／m^2，6MW／m^2的热负荷条件下，样品可分别承受26s，22s，20s的辐照而没有出现明显的损伤现象。样品疲劳实验也表现出很好的性能：8MW／m^2，10s辐照，可以承受70周热疲劳：6MW／m^2，20s辐照，在第90周裂纹开始形成；在2．5MW／m^2，辐照时间为30s和4．5MW／m^2，辐照时间为25s条件下，样品经过100周热疲劳实验均没有出现明显的损伤现象。对已出现裂纹的断面作X射线能量色散能谱（EDS）分析发现，由于焊料本身或者焊接时引入的杂质和虚焊，导致材料承受较高热负荷实验时的热应力迅速增大到破裂极限，使表面温度快速升高，而导致材料连接失效。     

SiC_P/Cu梯度复合材料的制备及性能研究

采用粉末冶金方法制备了SiCP/Cu均质复合材料及梯度复合材料,并对复合材料的显微组织、硬度、导电率和耐磨性进行了研究。结果表明:均质复合材料中SiC颗粒含量越多,导电率越小,耐磨性越好;梯度复合材料基体连续,组织及硬度呈梯度分布且其耐磨性优于基体Cu材料;磨损机理是微切削磨损和磨粒磨损的复合作用。     

Ti／Al2O3梯度功能材料热疲劳裂纹扩展机理

对Ti／Al2O3梯度功能材料进行了物相分析，研究了在热应力作用下的热疲劳裂纹产生的根源及其扩展方式和形态。结果表明：该体系主要有Ti，Al2O3，还有少量的TiAl，Ti3Al，AlNb2组成。Ti/Al2O3界面处生成的Ti3Al相以及Ti3Al周围的气孔是热疲劳裂纹的主要萌生和扩展地；随着成分的变化，裂纹的扩展由沿晶开裂转变为穿晶断裂，裂纹扩展的路线并不是直线，在各梯度层间发生了裂纹的偏转。     

HA/316L粉非对称生物FGM的微观组织与增韧机制

采用热压工艺制备了HA／316L粉非对称生物功能梯度材料（FGM）。HA／316L粉非对称生物FGM在宏观上呈现明显的梯度,微观上则表现出成分连续变化,且各成分分布均匀、弥散。在各梯度层内部及界面都没有裂纹及大孔洞出现,界面结合紧密。随着316L粉的含量增加,韧窝的数量逐渐增加,韧窝形貌由浅变深,边缘由尖锐逐渐变得圆滑,表明材料由脆性断裂向韧性断裂转化。纯HA梯度层为典型的脆性断裂,HA80／316L和HA60／316L梯度层表现为典型的晶间断裂,HA40／316L和HA20／316L梯度层断裂性质为晶间断裂中掺杂有韧性断裂,而316L梯度层则表现为典型的韧性断裂。316L粉的加入改变了HA／316L粉生物FGM各梯度层的断裂方式,从而提高了材料的力学性能。从整体上而言,HA／316L粉生物FGM主要增韧机制包括层间裂纹偏转增韧与裂纹偏转增韧。     

分形计算方法及在材料表界面中的应用

主要介绍分形这一几何方法在材料表界面研究中的应用。通过对国内外文献及资料的查阅了解，分别介绍了材料表界面分形维数的计算测定方法以及分形理论在材料表界面领域中的研究现状。对分维计算方法如网格法、小岛法和实验测定方法（吸附法）等做了详细的分析，对分形在材料表界面上的应用前景也进行了展望，分析了分形理论在表界面应用研究中的可行性。