自蔓延高温合成铁硅间化合物的研究

摘要

热电材料是一种能实现热电转换的功能材料。利用该材料不仅可以使汽车尾气、地热、太阳能等低品位热源发电，而且可以实现电的静态制冷。目前已在航天、微电子及超导等领域得到广泛应用。其中β-FeSi2作为热电材料，在世界能源危机日益显现和人们致力于绿色能源开发的今天，对其研究开发应用有着重要的现实意义。β-FeSi2具有高温热电转换功能，还有抗氧化、无毒、原料来源丰富、成本低廉等优点。
　　 本文以Fe粉、Si粉和KNO3为原料，通过淬熄实验，并且采用退火和热压工艺来处理燃烧合成后的产物。主要从以下几个方面进行了研究:1.通过淬熄实验，研究Fe-Si体系自蔓延高温合成的过程和产物，深入研究Fe-Si体系反应的机理;2.分别研究热处理和热压两种工艺对合成β-FeSi2的影响，探讨不同的工艺对产物组成及组织形貌的影响;3.分析研究Cu、Al双掺杂对β-FeSi2转变过程的影响并了解其组织转变的规律。
　　 研究结果表明:1.β-FeSi2相的固溶成分比较窄，自蔓延高温合成并不能直接生成β-FeSi2，产物中只包含ε-FeSi和α-Fe2Si5相。温度较高时，Fe粉与Si粉可直接反应生成α-Fe2Si5，并且产物中主要含有α-Fe2Si5，ε-FeSi含量很少。而温度较低时，生成产物中ε-FeSi含量增多。2.采用退火和热压两种工艺对自蔓延高温合成的产物进行后续处理。由于ε-FeSi是稳定相，在后续的处理过程中并不能使之反应生成β-FeSi2。β-FeSi2是由亚稳相α-Fe2Si5相发生共析反应生成。3.采用后续处理虽然能够生成β-FeSi2，但是其转化率依然很低。少量Cu的掺杂，可显著提高共析反应α→β+Si的速率，进而提高β-FeSi2转化率;Al掺杂虽然可以提高原始粉料的利用率但是对共析反应的促进作用很小，故采取Cu、Al双掺杂不仅提高了原始粉料的利用率，而且还解决了产物不纯的问题。4.退火虽然可以消除燃烧合成球粒产物内晶格缺陷，细化晶粒。但热压所得到的产物较退火产物晶粒细致、组织均匀。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 热电材料热电效应原理

1．2 β-FeSi2的研究进展

1．3 β-FeSi2的晶体结构

1．4 β-FeSi2的相转变

1．5 β-FeSi2的制备方法简介

1．5．1 外延法

1．5．2 快速凝固法

1．5．3 悬浮熔炼法

1．5．4 机械合金化法

1．5．5 脉冲激光法

1．5．6 放电等离子烧结法

1．5．7 热压法

1．5．8 化学气相输运法和温度梯度溶液生长法

1．5．9 自蔓延高温合成法

1．6 自蔓延高温合成简介

1．6．1 自蔓延高温合成

1．6．2 燃烧模式

1．6．3 自蔓延燃烧合成技术的研究进展

1．6．4 自蔓延高温合成技术的发展及应用

1．6．5 自蔓延高温合成热力学理论基础

1．6．6 宏观结构动力学理论

1．6．7 自蔓延高温合成机理研究方法

1．7 课题研究的背景及意义

第二章 实验内容及工艺方案

2．1 实验内容

2．2 实验原料及设备

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．3 实验工艺方案

2．4 实验过程

第三章 Fe-Si间化合物的淬熄实验

3．1 Fe-Si间化合物淬熄实验的可行性分析

3．2 实验结果与讨论

3．3 结果讨论

3．4 本章小结

第四章 热压和退火工艺对β-FeSi2转化的影响

4．1 试验材料及方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 Cu掺杂对β-FeSi2转化的影响

4．2．2 Cu、Al双掺杂对β-FeSi2转化的影响

4．2．3 温度对制备β-FeSi2的影响

4．2．4 两种工艺制备β-FeSi2的SEM分析

4．3 结果讨论

4．4 本章小结

主要结论

参考文献

致谢

附录：攻读学位期间发表的学术论文