電場對Bi-Sb-Te和Mg-Si-Sn熱電材料微觀結構及其性能的影響.pdf

1、當前，世界范圍內的煤炭、石油、天然氣等不可再生能源面臨枯竭，環(huán)境污染問題日益凸顯，威脅著人類的生存和發(fā)展。因而，新型清潔能源成為各國的研究熱點，我國亦在“十二五規(guī)劃”中將新能源的開發(fā)確立為國家戰(zhàn)略。在此背景下，熱電材料和高效熱電發(fā)電技術的研究開發(fā)受到了各界的廣泛關注和重視。
　　 熱電材料是一種通過載流子(電子或空穴)的運動實現(xiàn)電能和熱能直接相互轉換的新型功能材料。熱電器件具有尺寸小、重量輕、便于攜帶、可靠性高、使用壽命長、無噪

2、聲、無污染等優(yōu)點，在工業(yè)余廢熱的回收利用，空間特殊電源，微電子及制冷等領域具有廣闊的應用前景。
　　 電場激活壓力輔助燒結技術是一種在電場、溫度場以及應力場作用下實現(xiàn)粉末燒結快速致密化的燒結技術，廣泛應用于熱電材料的制備過程，并有實驗表明采用電場輔助燒結技術可獲得相比傳統(tǒng)燒結方法更好的熱電性能。但采用電場輔助熱電材料的制備過程中的多物理場耦合效應及其對材料熱電性能的影響還有待探究。從多場耦合角度來看，電場激活壓力輔助燒結過程中，

3、各場間交互作用顯著，要單獨討論某一種場的作用是極其困難的。
　　 本文采用電場激活壓力輔助燒結技術制備Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Si0.8Sn0.2熱電材料，并對其工藝過程進行改進。通過設置對比實驗，結合有限元分析，分析不同燒結工藝過程中的電場、溫度場分布，探究電場對Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Si0.8Sn0.2熱電材料微觀結構和熱電性能的影響。
　　 采用電場輔助燒結可顯著提高試樣的致密度，電場強度越大

4、，致密度增加越大。采用大電場強度燒結Bi1.2Sb4.8Te9材料時，試樣晶粒出現(xiàn)擇優(yōu)取向。而對于Mg2Si0.8Sn0.2熱電材料，采用電場輔助燒結可促進固溶體的形成；另外，在平行電流方向的軸向截面上觀察到有特定走向的河流狀花樣。Bi1.2Sb4.8Te9和Mg2Si0.8Sn0.2試樣的微觀形貌說明在燒結過程中施加電場可在沿電流方向促進物質的擴散。
　　 熱電性能測試結果表明，在兩種熱電材料的燒結過程中施加電場均有助于提高其

5、電學性能。電場輔助燒結可提高Bi1.2Sb4.8Te9熱電材料的電導率和Seebeck系數(shù)，從而提高其電綜合性能；采用大的電場強度燒結可在提高其電綜合性能的同時，明顯降低熱導率，從而獲得最優(yōu)zT值。不采用電場、采用低電場強度、采用高電場強度的三組試樣的最大熱電優(yōu)值分別為0.46、0.48和0.57。而對于Mg2Si0.8Sn0.2熱電材料，在燒結過程中施加電場可顯著提高其電導率，但對提高其Seebeck系數(shù)并無顯著效果。由于顯著提高的電