纳米Bi2Te3的高温高压烧结及其热电性能研究

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热电材料是一种可以使热能和电能直接相互转换的功能材料,在热电制冷以及温差发电方面有着巨大的应用价值。在当今世界能源短缺和环境污染日益严重的情况下,热电材料越来越受到人们的关注。热电材料的性能优值ZT值是表征热电转换效率的重要因素,ZT值表示为:其中S为Seebeck系数,σ为电导率,κ为热导率,T为绝对温度。由ZT值公式可知,提高ZT值有2种途径,一个是通过提高Seebeck系数和电导率使得功率因子S2σ增大来实现,一个是通过降低热导率来实现。S、σ、κ这三个因素是相互制约的,所以如何调制功率因子与热导率的关系成了提高ZT值的关键,ZT值越高,转换效率越高。Bi2Te3是理想的室温热电材料,本文先用水热法制备了Bi2Te3纳米粉末,应用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)以及透射电镜(TEM)对合成产物的物相及微观形貌进行了分析,并探讨了反应时间和反应温度对样品物相和形貌的影响。最后采用高温高压法对Bi2Te3纳米粉末进行了烧结,研究了不同温度及不同压力对样品热电性能的影响,本文主要取得了以下研究成果。以Bi(NO3)3和Te粉为原料,水合肼为还原剂,保温12小时的产物中还有少量的Te粉剩余,延长反应时间至24小时后,分别在150°C和180°C下制备出粒度在50nm左右的n型Bi2Te3颗粒。实验结果表明Bi2Te3的晶粒尺寸有随着反应温度升高而增大的趋势,24小时和180°C为理想的反应条件。采用不同烧结温度和烧结压力对纳米Bi2Te3纳米粉末进行了烧结,对不同温度烧结后样品热电性能的研究表明,样品的室温功率因子随着烧结温度的升高先增大后降低,整体呈现出上升的趋势,753K烧结后样品的功率因子最大,烧结温度对样品的热导率影响不大,本实验的最佳烧结温度为753K。对不同压力烧结后样品的热电性能研究表明,样品的室温功率因子随着烧结压力的增大先上升后下降,整体呈现出下降的趋势,0.94GPa烧结后样品的功率因子最大,样品的热导率随着烧结压力增大而降低。753K和0.94GPa烧结后,样品的室温功率因子达到16μw·cm-1·k-2,室温ZT值达到0.31,比同样条件下高温高压下直接合成的样品分别提高了60%和1倍,这表明利用高温高压对纳米Bi2Te3进行烧结时,少量Te和Bi析出形成的纳米第二相,能有效提高材料的热电性能。
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