B4C基复合材料热电性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pinkoath
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热电材料在解决能源和环境问题方面被寄予厚望,而碳化硼热电材料以其优异的高温特性以及在热电转换方面的巨大潜力而备受关注。目前,制备碳化硼块体热电材料的主要方法为电弧熔炼,并取得了较好的效果。但这种方法存在以下缺点:首先,碳化硼熔点较高(2350℃),且可能由于加热温度的不均匀造成材料性能的差异;其次,材料晶粒尺寸难于控制。因此,本文尝试以B4C为基体,采用热压烧结以及放电等离子烧结的方法控制晶粒尺寸,并通过掺杂第二相的方法改善材料的热电性能。首先,采用热压烧结的方法,制备具有不同复合比例的SiC/B4C热电材料。研究发现,复合材料中第二相和基体之间结合良好,没有明显的裂纹出现。在B4C基体中掺杂SiC后,复合材料的电导率出现明显下降并随SiC掺杂量提高进一步降低,热导率出现较大程度的提高;各个掺杂量的复合材料均为P型热电材料。当掺杂量为30%时,由于在材料中引入较多的缺陷,塞贝克系数略有提高;SiC含量为50%和70%的热电材料的塞贝克系数都有所下降。三种成分的复合材料塞贝克系数都随温度升高出现较大提高。由于进行SiC掺杂之后,材料电学性能出现明显下降,因此复合材料的热电优值均低于未掺杂的B4C材料。然后,为提高材料的电学性能,对B4C进行TiB2材料的掺杂实验。研究发现,材料室温下电导率提高了2~3个数量级,高温下电导率提高了1~2个数量级。与此同时,热导率出现较大提高,塞贝克系数出现较大降低。在掺杂量为25.4vol%时,材料发生了由P型到N型的转变,为获得N型碳化硼材料提供一条新思路。实验结果表明,TiB2掺杂量为12.4vol%时电学性能和热电优值均出现下降;掺杂量为25.4vol%时,材料在300K~750K范围内功率因子出现较大提高,在573K条件下无量纲热电优值为未掺杂材料的1.5倍。最后采用放电等离子烧结的方法制备材料并研究Si的掺杂量对材料电学性能的影响,结果显示适量的Si掺杂可以提高材料的电导率和塞贝克系数,进而提高材料的功率因子。而掺杂量过大则降低材料的电学性能。
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