Sb掺杂对N型half-Heusler材料热电性能的影响

研究了Sb掺杂对N型half-Heusler化合物Zr_0.25Hf_0.25Ti_0.5NiSn_1-xSb_x (x=0、0.002、0.005、0.01、0.02、0.03)热电传输特性的影响。结果显示, 随着Sb掺杂量增加, 材料的载流子浓度提高, 电阻率降低, 尤其是低温(<300 K)电阻率下降显著, 赛贝克系数降低, 且取得最大赛贝克系数的温度向高温端移动, 最大功率因子增加~20%, 材料的热导率增大, 主要是电子热导率提高的贡献, 晶格热导率影响不大; 当Sb掺杂量较低时(x<0.01), 材料的最大热电性能优值ZT值在0.77左右, 掺杂量x=0.005的样品ZT值在整个温度区间内最优。     

熵工程提高(GeTe)x(AgSb0.5Bi0.5Te2)1-x的热电性能和显微硬度(英文)

作为一种材料基因特性的内禀属性,构型熵是材料基因组中一个新兴的指征因子.设计具有高构型熵的多组元热电材料,可以通过严重的晶格畸变显著降低晶格热导率,并通过提高晶体对称性改善塞贝克系数.然而,高构型熵也造成了载流子迁移率的恶化,从而限制了zT值的改善.本文通过在众所周知的(GeTe)_1-x(AgSbTe₂)_x,即TAGS合金中用Bi取代一半的Sb,设计了(GeTe)_1-x(AgSb_0.5Bi_0.5Te₂)_x,又称TABGS合金,以证明熵工程的有效性.鉴于TAGS合金的载流子平均自由程较低,已接近Mott-Ioffe-Regel极限,进一步的Bi置换和构型熵增加不会再损害载流子迁移率.此外,通过高构型熵抑制菱方-立方相变和降低的载流子浓度有助于大幅提高Seebeck系数.而且, AgSb_0.5Bi_0.5Te₂合金化诱导的多尺度微观结构和减小的声速有效地...     

PIP工艺制备C/Zr0.5Hf0.5C-SiC复合材料及其微观结构和弯曲性能

基于自制Zr_0.5Hf_0.5C先驱体和商业化液态聚碳硅烷，通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺成功制备C/Zr_0.5Hf_0.5C-SiC复合材料，研究纤维表面热解C涂层厚度对复合材料微观结构及弯曲性能的影响。结果表明：自制Zr_0.5Hf_0.5C先驱体在1400℃下即可转化生成单一Zr_0.5Hf_0.5C固溶体。因具有良好的渗透性，转化生成的Zr_0.5Hf_0.5C基体同时存在于C/Zr_0.5Hf_0.5C-SiC复合材料的纤维束内和束间，呈包裹SiC基体的层状形貌。C/Zr_0.5Hf_0.5C-SiC复合材料主要由C,SiC和Zr_0.5Hf_0.5C相组成；具有不同热解C涂层厚度(0.67,0.84,1.36μm)的3组复合材料密度分别为2.07,1.9...     

Nb掺杂Mo1-xWxSeTe固溶体的热-电输运性能优化

固溶结合掺杂是优化材料热电性能的有效途径。本研究采用固相反应结合等离子体活化烧结成功合成了一系列单相的Mo_1-xW_xSeTe(0≤x≤0.5)固溶体及其Nb掺杂产物。热电输运研究表明, W固溶结合Nb掺杂显著提高了Nb_2yMo_0.5-yW_0.5-ySeTe固溶体的载流子浓度、载流子迁移率、电导率和功率因子, 适当降低了样品的晶格热导率, 进而显著提高了材料的热电优值ZT。随着Nb掺杂量的增加, 掺杂引入的离散能级转变为连续的杂质能带, 同步提升了载流子浓度和载流子迁移率。取向性研究发现, 由于在平行方向晶格热导率较低, Nb_2yMo_0.5-yW_0.5-ySeTe固溶体在平行烧结压力方向的ZT略优。最优组分Nb_0.03Mo_0.485W_0.485SeTe在垂直于烧结压力和平行于烧结压力方向获得了最高ZT, 分别达到0.31和0.36(@823 K), 是目前MoSe₂基热电材料获得的最好结果之一。后续通过优化掺杂元素来改善Seebeck系数和功率因子, 将有望进一步提升MoSe₂基化合物的ZT。     

聚对苯撑纳米复合提升ZnO基热电材料性能

以溶胶-凝胶法合成了PPP@Zn_1-xCo_xO纳米复合热电材料(x=0, 0.025), 再以放电等离子烧结制备成块体, 并对其热电性能进行了研究。由透射电镜照片发现, PPP纳米颗粒尺寸在200 nm以下。热电性能分析表明, 随着PPP添加量的增加, 赛贝克系数先增大后减小。电导率随PPP含量增加而大幅度提高。与ZnO块体材料相比, 溶胶-凝胶法合成的PPP@Zn_1-xCo_xO纳米复合热电材料的热导率大幅度降低, 在640 K时, 9wt% PPP的纳米复合热电材料热导率降低至5.4 W/(m·K)。电导率的增加和热导率的降低, 导致热电性能大幅度提高, 9wt%PPP@Zn_0.975Co_0.025O纳米复合热电材料在870 K时具有最大ZT值(0.16), 是Zn_0.975Co_0.025O材料的8倍。     

Zn-Sb双掺杂Mg2(Si,Sn)合金的热电性能

Mg₂(Si,Sn)合金热电材料具有成本低廉、环境友好等优点, 作为一种绿色环保的中温区热电材料一直受到广泛关注。在Mg₂(Si,Sn)基材料中掺杂大剂量Sb可诱发Mg空位, 从而有效降低材料的热导率, 但同时Seebeck系数也会降低。研究采用高温熔炼及真空热压法成功合成了Mg_2.12-ySi_0.4Sn_0.5Sb_0.1Zn_y (y=0~0.025)试样, 通过在大剂量Sb掺杂的Mg₂(Si,Sn)基材料中添加Zn元素, 研究了大剂量Sb和微量Zn双掺杂对材料电声输运特性的综合影响。研究结果表明, Zn-Sb双掺杂可通过有效抑制材料电子热导率的方法大幅降低Mg₂(Si,Sn)合金材料的总热导率, 与此同时明显提高掺Zn试样的塞贝克系数以弥补其电导率的损失, 维持材料较为优异的电学性能。最终, 热导率的大幅优化及电学性能的维持实现了材料综合热电性能的显著提升, 其中, 成分为Mg_2.095Si_0.4Sn_0.5Sb_0.1Zn_0.025的材料在823 K下热电优值ZT达到1.42。     

多掺杂协同调控碲化锡热导率和功率因子提升热电性能

碲化锡(SnTe)是一种碲化铅的无铅替代物, 在热电领域有广阔的应用前景。但是, 纯相碲化锡样品具有较高的热导率与较低的塞贝克系数, 导致热电性能较差。本研究通过多重掺杂可以显著降低热导率, 提升塞贝克系数, 从而提升热电性能。SnTe热压样品的晶格热导率随着Se和S的引入明显降低,比如SnTe_0.7S_0.15Se_0.15室温下晶格热导率仅为0.99 W•m^-1•K^-1。透射电子显微镜显示, SnTe掺杂样品内存在大量的纳米沉淀相与晶格位错。在此基础上, 掺杂In在价带顶引入共振态大幅提高了样品的塞贝克系数。实验表明通过多重掺杂可以有效提升碲化锡的热电性能, 其中样品Sn_0.99In_0.01Te_0.7S_0.15Se_0.15在850 K时峰值ZT值达到0.8, 这说明碲化锡的确是一种有应用前景的中温区热电材料。     

热电材料中的高熵结构设计

高熵合金的设计思想在诸多材料领域都有广泛的应用,本研究从高熵结构对热电输运性质的影响出发,着重讨论热电材料对高熵结构设计的一些要求。以CuInTe₂为实例,提出了热电材料的高熵结构应当尽量减小晶格畸变,尽量选择在不影响费米面结构的格点位进行高熵掺杂。依据这些准则,设计的高熵化合物Cu_0.8Ag_0.2Zn_0.1Ga_0.4Ge_0.1In_0.4Te₂的室温热导率降到了2.1 W·m^-1·K^-1,比基体材料降低70%,最高ZT值达到1.02,较基体提升90%。在二元化合物SnTe中进行了AgSbSe₂固溶,其室温热导率降到1.3 W·m^-1·K^-1,比基体降低80%以上。本研究表明,遵循一定准则设计的高熵结构对于提升热电材料性能具有重要的意义。     

镍氢电池负极材料V2Ti0.5Cr0.5Ni1-xMox(x=0.02~0.08)的结构和电化学性能

为了改善镍氢电池负极材料的循环稳定性能, 采用真空感应电弧熔炼炉制备了V₂Ti_0.5Cr_0.5Ni_1-xMo_x (x=0.02~0.08)合金, 分析了不同含量的Mo替代Ni之后对合金电极的组织结构及电化学性能的影响。研究结果表明, 电极材料主要由BCC结构的V基固溶体主相和TiNi二次相组成, 随着合金中Mo替代Ni含量x由0.02增加到0.08, 合金电极的放电容量先增加后降低, 合金电极的循环稳定性能以及电化学动力学性能先得到改善而后降低, 合金电极的综合性能均在x=0.04时达到最好。     

熵工程在热电材料中的应用

作为高熵合金设计思想的延伸,熵工程可从电子和声子输运两方面引导热电材料的性能优化,在多种热电材料体系已经获得了成功应用。特别是,熵具有内禀的类似基因特性,可以作为热电材料的指征因子,对多元热电材料实现快速筛选。本文首先揭示熵作为热电材料基因特性的内禀原因,阐述构型熵增加导致材料晶体结构对称性增强、泽贝克系数提升、晶格热导率下降的物理机制;然后着重介绍熵工程在类液态材料和IV-VI族半导体等典型热电材料体系中的应用,总结熵工程提高材料热电性能的研究进展;并介绍多元单相高熵热电材料的热力学稳定性预测方法;最后指出了熵工程将来的研究重点。     

(Ag2Se)1-x(Bi2Se3)x的热电性能研究

具有本征低晶格热导率的I-V-VI₂族三元硫属化合物在热电领域引起了广泛关注。AgBiSe₂作为这类化合物中少有的n型半导体, 成为一种有潜力的热电材料。本工作系统研究了AgBiSe₂的热电性能。基于Ag₂Se-Bi₂Se二元相图, 单相的(Ag₂Se)_1-x(Bi₂Se₃)_x的成分在x=0.4~0.62范围可调, 使得该材料载流子浓度具有可调性。结果表明, 通过组分调控获得了较宽范围的载体浓度1.0×10¹⁹~5.7×10¹⁹ cm^-3, 并基于声学声子散射的单一抛物带模型对其电传输性能进行了综合评估。本研究获得的最高载流子浓度接近理论最优值, 在700 K实现了最高ZT值0.5。本研究有助于深入理解AgBiSe₂的传输特性和决定热电性能的基本物理参数。     

A2B7型La0.3Y0.7Ni3.4–xMnxAl0.1储氢合金微观结构和电化学性能研究

采用真空电弧熔炼和均匀化退火制备La0.3Y0.7Ni3.4-xMnxAl0.1(x=0~0.5)储氢合金,采用不同方法系统研究了Mn元素对合金微观结构、储氢和电化学性能的影响规律和作用。结果表明,退火合金微观组织与Mn含量关系密切,提高Mn含量有利于合金组织形成Ce2Ni7型相,当x≥0.3时,合金形成Ce2Ni7型结构单相组织。随Mn含量增加, Ce2Ni7型主相晶胞参数a、c及晶胞体积V均依次增大,导致合金吸氢平台压从0.079 MPa降至0.017 MPa,储氢量达到1.268wt%~1.367wt%。添加Mn元素能显著改善合金的电化学性能,x=0.1的合金电极的放电容量最高(390.4 mAh·g^-1);x=0.15和0.5的合金电极的容量保持率S100分别为86.1%和88.5%,具有较好的循环稳定性。上述合金电极的高倍率放电性能HRD900为71.53%~87.73%。分析结果表明,合金电极反应动力学过程由电极/溶液界面的电子转移与体相中的氢原子扩散共同控制。     

Te与In共掺杂对Cu2SnSe3热电性能的影响

Cu₂SnSe₃基化合物作为一种绿色环保的新型热电材料, 近年受到了研究者的广泛关注。然而, 本征Cu₂SnSe₃基化合物载流子浓度低、电性能较差。为优化Cu₂SnSe₃化合物的电热输运性能, 本研究采用熔融、退火结合放电等离子烧结技术制备了一系列Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)和Cu₂Sn_1-yIn_ySe_2.9Te_0.1 (y=0.005~0.03)样品, 研究了Te固溶和In掺杂对材料电热输运性能的影响。Te在Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)化合物中的固溶度为0.10, Te固溶显著增加了材料的载流子有效质量, 从本征Cu₂SnSe₃样品的0.2m_e增加到Cu₂SnSe_2.9Te_0.1样品的0.45m_e, 显著提高了材料的功率因子, Cu₂SnSe_2.99Te_0.01样品在300 K下获得最大功率因子为1.37 μW·cm^-1·K^-2。为了进一步提高材料的电传输性能, 本研究以Cu₂SnSe_2.9Te_0.1为基体并选取In在Sn位掺杂。In掺杂将Cu₂SnSe₃基化合物的载流子浓度从5.96×10¹⁸ cm^-3 (Cu₂SnSe_2.9Te_0.1)显著提高到2.06×10²⁰ cm^-3 (Cu₂Sn_0.975In_0.025Se_2.9Te_0.1)。调控载流子浓度促进了材料多价带参与电传输, 材料的电导率和载流子有效质量显著增加, 功率因子得到大幅度提升, 在473 K下Cu₂Sn_0.995In_0.005Se_2.9Te_0.1化合物获得最大功率因子为5.69 μW·cm^-1·K^-2。由于电输运行性能显著提升和晶格热导率降低, Cu₂Sn_0.985In_0.025Se_2.9Te_0.1样品在773 K下获得最大ZT为0.4, 较本征Cu₂SnSe₃样品提高了4倍。     

Ba1-xMgxAl2Si2O8晶体结构与微波介电性能的研究

采用固相烧结法, 按化学计量比Ba_1-xMg_xAl₂Si₂O₈(x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.3, 0.5)制备样品, 考察不同MgO含量对BaO-Al₂O₃-SiO₂系介电材料晶体结构及微波介电性能的影响。结果表明, MgO可以降低烧结温度, 促进六方相转变为单斜相, 当添加量x≥0.15时, 相转变可以达到100%。当x≤0.15时, 适量的MgO可以有效地促进单斜钡长石晶粒的长大。在0.05≤x≤0.1范围内, 随着MgO含量的增加, 单斜钡长石衍射峰增强, 晶粒尺寸增大, 密度、介电常数与τ_f均随MgO含量的增加而增大。在x=0.1, 烧结温度为1400℃时, 可获得综合性能相对较好的单斜钡长石, 其介电性能ε_r=6.44, Q×f=16461 GHz, τ_f= -30.6×10^-6 K^-1。     

添加Nb元素对TiZr基非晶复合材料性能的影响

使用铜模铸造法制备(Ti_45.7Zr₃₃Ni₃Cu_5.8Be_12.5)₍(1-0.01x))Nb_x(x=0、2、4、6、8和10,记为Nb0、Nb2、Nb4、Nb6、Nb8和Nb10)的Ti Zr基非晶合金复合材料,研究了添加Nb元素对Ti Zr基非晶复合材料性能的影响。结果表明,Nb元素含量的提高使材料中β相的晶粒尺寸更大、体积分数提高和形变诱发马氏体相变受到抑制。Nb元素的添加,使这种非晶复合材料的塑性大大提高,而屈服强度降低。值得注意的是,Nb元素的添加还提高了非晶复合材料力学性能的可重复性。在Nb0～Nb4等具有形变诱发相变的非晶复合材料生成的小板条α’’马氏体,能诱导多重剪切带的生成。在Nb6～Nb10这种未发生形变诱发相变行为的非晶复合材料中,大量位错在β相中产生并在界面处积累形成位错台阶,从而引发多重剪切带的形成,最终使非晶复合材料的塑性提高。     

CdGeAs2晶体的热膨胀行为研究

采用WinTA 100热膨胀仪研究了四方黄铜矿CdGeAs₂晶体在320~620 K温度范围内的热膨胀行为, 探索了CdGeAs₂晶体热膨胀各向异性的物理机制。测定晶体a轴和c轴方向的热膨胀系数α_a和α_c发现, α_a>>α_c>0, 表现出强烈的各向异性热膨胀特性。利用最小二乘法, 拟合出CdGeAs₂晶体的晶格常数(a, c)与温度(T)的函数关系式, 与文献报道值吻合。分别计算出不同温度下的四方畸变因子δ=2-c/a, Cd-As 键长(l_Cd-As)和 Ge-As 键长(l_Ge-As)以及相应的热膨胀系数α_Cd-As和α_Ge-As。结果表明, a、c、δ、l_Cd-As、l_Ge-As和α_Cd-As均随着温度的升高而增大, c/a和α_Ge-As则随着温度的升高而减小。当T=360 K时,α_Cd-As是α_Ge-As的6.36倍, 是造成CdGeAs₂晶体强烈热膨胀各向异性的主要原因。     

区熔法制备金属硫化物Ag2S及其热电性能研究

金属硫化物Ag2S具有优异的物理化学性能,在催化、传感及光电子等领域具有广阔的应用空间.本工作利用一种区熔技术制备了尺寸为?18 mm×50 mm的Ag2S并对其潜在热电性能进行了研究.Ag2S在450 K以下具有标准的 α-Ag2S单斜P21/c结构,450 K以上发生相变成为立方 β-Ag2S相.Ag2S在300～...     

γ-NaxCoO2粉体的聚丙烯酸钠凝胶法制备及其表征

本研究发展了一种用于制备氧化物热电材料γ-Na_xCoO₂粉体的化学合成方法——聚丙烯酸钠(PAAS)凝胶法。主要研究了PAAS/Co²⁺摩尔比、原料浓度和煅烧温度对产物相组成及微观形态的影响规律, 探讨了物相形成机制, 同时用该方法结合SPS制备了不同Na离子浓度的Na_xCoO₂多晶样品, 并对其热电性能进行了表征。结果表明, PAAS/Co²⁺摩尔比对产物相组成产生了显著影响, 随着PAAS/Co²⁺摩尔比的增加, 样品的相组成由Co₃O₄相向单相γ-Na_xCoO₂转变, 合适的PAAS/Co²⁺摩尔比为0.8~1.1。而反应原料浓度对产物相组成的影响存在一个临界值(0.025 mol/L), 大于临界值抑制单相形成, 小于临界值促进单相形成。煅烧温度的升高有助于γ-Na_xCoO₂单相的形成, 800℃煅烧得到γ-Na_xCoO₂单相, 晶粒形态呈片状, 平均厚度约200 nm, 片状方向的尺寸在1~4 μm之间。随着Na含量的增加, 样品的Seebeck系数增大, 电导率增加, 热导率降低, 最终导致ZT值大幅增加。     

Mechanical spectroscopy of hydrogen-absorbing quasicrystals

The H-induced damping peak in icosahedral quasicrystals, generally attributed to a Snoek-type reorientation mechanism, was studied in comparison between Zr_69.5Cu₁₂Ni₁₁Al_7.5 and Ti₅₃Zr₂₇Ni₂₀ using the vibrating-reed technique. Whereas the peak in Zr_69.5Cu₁₂Ni₁₁Al_7.5 is practically the same as in the amorphous phase (in accordance with icosahedral short-range order in metallic glasses), significant differences in shape and position of the peak are found between the two quasicrystalline alloys. These might possibly be used as a probe to distinguish between icosahedral structure types. Another interesting result is a higher intrinsic damping of quasicrystalline Zr_69.5Cu₁₂Ni₁₁Al_7.5, compared to the amorphous phase, between 450 and 650 K.