Ge-Pb-Sn-Te合金微观组织和热电输运性能

摘要

热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转换的半导体功能材料，具有无污染、无噪声、无传动部件、安全可靠等优点，在温差发电和便携式制冷等领域得到重要应用。(Ge, Pb, Sn)Te基化合物是性能优异的中温热电材料，发展前景广阔。本论文采用电磁感应熔炼法制备了 Ge0.5-xPb0.25Sn0.25Te1+x、Ge0.5-xPb0.25Sn0.25Te和Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te-xwt.%Te系列合金，系统研究了成分调控和热处理对铸态合金微观组织演化及热电输运性能的影响规律，并尝试通过控制调幅分解形成富Ge相和富Pb相纳米结构，降低热导率并提高热电性能。
　　利用SEM和EDS等方法对合金的铸态组织和相组成进行分析。研究发现，该合金系主要由初生富Ge相和树枝状富Pb相构成。在Ge0.5-xPb0.25Sn0.25Te1+x和Ge0.5-xPb0.25Sn0.25Te体系中，随着Ge含量的降低，初生富Ge相中析出大量Te富集等杂质相，富Pb相晶界处出现调幅组织；在Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te-xwt.%Te合金中，随着Te含量的增加，宏观组织趋于粗大，低熔点富Te相体积分数增加。所研究的合金中Ge0.48Pb0.25Sn0.25Te1.02和Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te-10wt.%Te调幅组织细小，杂质相较少，有利于增加界面密度，增强声子散射。
　　在400℃和500℃条件下，对铸态合金进行24h、72h和168h热处理实验。研究发现，延长热处理时间，杂质相趋于粗化，但析出相富Ge相和富Pb相仍保留细小的形态且体积分数增加。热处理为400℃/168h时，Ge0.48Pb0.25Sn0.25Te1.02合金中初生富Ge相和富Pb相中分别析出条形富Pb相和球形颗粒状富Ge相；而Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te-10wt.%Te合金经500℃/168h热处理后出现大量层状交替的富Ge相和富Pb相条幅组织，有利于降低热导率。
　　对400℃/168h热处理的 Ge0.48Pb0.25Sn0.25Te1.02合金和500℃/168h热处理的Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te-10wt.%Te合金进行热电性能测试。研究发现，热处理后的Ge0.48Pb0.25Sn0.25Te1.02合金，其热导率虽大于铸态合金，但显著增加了Seebeck系数和功率因子，最大热电优值在458℃达到0.71；而Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te-10wt.%Te合金热处理后，其电导率和Seebeck系数同铸态合金相比变化较小，但基体中大量细小的调幅组织有效地散射了声子，降低了热导率，从而提高了热电性能。在458℃时获得最大ZT值0.81，相比铸态合金提高8%。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 热电学基础理论

1.3 优化热电性能的方法

1.4 Ge-Pb-Sn-Te系热电材料的研究现状

1.5 本论文的选题思路和研究内容

第2章 实验方法

2.1 实验原料及仪器

2.2 材料的制备

2.3 材料的物性测试

2.4 材料的热电性能的测试

第3章 成分调控和热处理对Ge-Pb-Sn-Te合金微观组织的影响规律

3.1 引言

3.2 Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te合金铸态显微组织

3.3 成分调控对Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te合金显微组织的影响

3.4 Ge-Pb-Sn-Te合金热处理显微组织的演化规律

3.5 本章小结

第4章 Ge-Pb-Sn-Te合金热电输运性能

4.1 引言

4.2 晶界散射

4.3 Ge0.48Pb0.25Sn0.25Te1.02合金热电性能

4.4 Ge0.5Pb0.25Sn0.25Te-10wt.%Te合金热电性能

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢