多尺度微结构调控优化CrSi2的热电性能研究

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wlh0403
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热电材料是一种能够在热能与电能之间进行相互转换的新型清洁能源材料,在温差发热以及固态制冷两个方面有着广泛的运用前景与市场潜力。热电材料的性能优劣主要由无量纲热电优值ZT表征,与塞贝克系数的平方,电导率成正比例关系,与热导率成反比例关系,三种参数之间存在着强烈的耦合关系,如何对其进行解耦是进一步提升材料热电性能的关键因素。P型半导体材料CrSi2具有较高的塞贝克系数与电导率,因而有相对较好的功率因子,然而其最终的ZT值一直被限制在0.08-0.16之间,主要原因是CrSi2体系材料具有较高的热导率,使得其ZT值降低,如何降低热导率是提高其ZT值的关键所在。在材料中,热导率是指不同频率的声子对热传递过程的贡献总和,通过引入不同的散射机制对不同频率的声子进行散射,可以有效的降低材料热导率,主要方式分别有通过元素掺杂引入点缺陷对高频声子进行散射,通过热变形引入位错对中频声子进行散射,通过细化晶粒产生大量晶界对低频声子进行散射。通过对CrSi2进行超常时间球磨、Ta掺杂结合超长时间球磨,Ta、Ge双掺杂对热电性能的影响,主要研究内容与结论概括如下:(1)通过长时间的机械球磨将CrSi2粉体粒径细化到500nm以下,经过热压烧结后对其进行物相表征与热电性能测量分析,发现经过长时间机械球磨后,块体中出现CrSi、Cr3Si5杂相,降低材料晶格热导率,750K时球磨8小时样品ZT值提升至0.20。(2)基于长时间机械球磨生成CrSi杂相,探究CrSi2固溶Ta来进一步优化Cr1-xTaxSi2材料的热电性能。采用电弧熔炼结合压烧结合成Cr1-xTaxSi2(x=0,x=0.01,x=0.02,x=0.03,x=0.04,x=0.05)复合样品,对复合样品进行物相表征与热电性能测量,发现Ta作为受主杂质固溶后对晶格热导率影响较大。由于Ta与Cr存在巨大的质量差,固溶后Ta取代Cr位引起明显的点缺陷散射,有效的降低了样品晶格热导率。室温下,所有固溶合金的样品都表现出明显的点缺陷散射占据主导作用的声子输运机制,这一研究结果很好的证明了通过掺杂Ta和球磨协同调控CrSi2热电性能的可行性,750K时Cr0.98Ta0.02Si2成分样品试样获得了最高ZT值0.24。(3)通过Si位Ge掺杂实现了对CrSi2材料的载流子浓度调控,提升了其功率因子。进一步通过Cr掺杂Ta实现对晶格热导率的优化,探究引入多种散射源散射声子对材料热电输运性能的协同调控。发现Ta、Ge共掺杂实现了功率因子的提升以及晶格热导率的有效降低,在750K时Cr0.98Ta0.02Si1.985Ge0.015成分样品ZT值最高为0.35。
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