Bi0.5Sb1.5Te3合金脉冲电流快速成型新方法的探索

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因能源及环境战略的需求,热电材料及其制备方法成为国内外关注热点。当前,块体热电材料的生产制备,主要有两大类,即以区熔法或定向凝固获得块材,或以制备粉末再进行烧结(传统烧结或SPS法)获得块材,而以先进的SPS法进行粉末烧结,则被认为是高品质块体热电材料合成方法的发展方向。但SPS烧结设备十分昂贵,维护复杂且费用高昂,且升温、加压保温及冷却过程仍需要较长时间,仍存在晶粒长大。那么,可否研发出优于传统烧结法和SPS法的其它热电材料制备方法?本文工作基于自主研发设计的一套脉冲电流快速成型装置,以Bi0.5Sb1.5Te3热电合金为研究对象,创造性地探索并验证了脉冲电流快速成型法制备热电材料的可行性,并通过调控该新合成方法的电压、加压载荷、放电次数等工艺参数,来优化其微观组织并提升其热电性能。主要成果如下:(1)借助对装置及模具的改造,以及方法规程的尝试摸索,经大量的反复试验,证明了脉冲电流快速成型方法可在毫秒级时间内实现热电材料粉末的快速烧结,验证了该新方法的有效性和可行性。所合成的Bi0.5Sb1.5Te3合金块材内部截面连续无宏观孔洞,表面光滑且具有金属光泽,且可避免晶体的择优取向。(2)在一次放电烧结条件下,探索了烧结电压、加压载荷等工艺参数的作用规律,结果表明:随着电压从65V升到70V及75V,B0.5Sb1.5Te3样品的电阻率不断下降,而电压升到80V时其电阻率却大幅上升;随着电压升高,样品热导率总体上不断下降;不同电压烧结试样的Seebeck系数变化不显著。加压载荷的提高,有利于样品致密度的提高。(3)两次放电烧结试验表明,65V条件下两次放电样品比一次放电样品具有更高的Seebeck系数、更低的电阻率、更低的热导率,并最终于393K取得最大ZT值0.7,相对65V一次放电样品的最大ZT值提升了11%。对两次放电烧结而言,70V的两次放电对样品热电性能的改善效果,不如65V条件下的显著。从组织分析看,70V两次放电条件下,其样品晶粒长大倾向相对较大。(4)70V三次放电样品由于比60V三次放电样品具有更低的电阻率和更高的Seebeck系数,最终于400K取得了更高的最大ZT值1.0,比60V三次放电样品提升了19%。总之,本文工作探索并发明了一种新方法——热电材料脉冲电流快速成型法,其高效(毫秒级)、便捷,无需昂贵设备,可获得相对于其它烧结方法更低的热导率,有利于提升整体热电性能。当然,该方法尚需进一步完善,尤其是继续探索,一次放电成型条件下,如何避免样品微裂纹的产生。
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