P型Bi2Te3基制冷晶棒加工废料的资源化处理与热电性能优化

摘要

热电材料是一种能实现热能与电能的直接相互转化的功能材料，在热电制冷及温差发电领域有着广阔的应用前景。针对目前半导体制冷行业Bi2Te3基热电材料加工过程中废品率高的现状，以及传统废料回收工艺环境不友好、工艺复杂、周期长和成本高的缺陷，本文提出了整体回收P型Bi2Te3基制冷晶棒加工废料的新工艺，通过洗涤、炭化、熔炼等过程成功去除了废料中的杂质，随后通过掺杂、通电加压烧结制备了性能良好的块体热电材料。另外，Bi2Te3基合金作为室温附近性能最优的体系已在热电制冷领域有了较为广泛的应用，但在温差发电领域的应用却相对滞后。本文在最后一章利用能带理论，研究了不同锑掺杂量下Bi2Te3基热电材料的电热输运性能及其热电优值(ZT)随温度的变化规律，优化了P型Bi2Te3基合金在高温区的热电性能，得到了如下结果:
　　1)对P型Bi2Te3基制冷晶棒切割废碎片，经过简单的超声波洗涤及熔炼过程即可获得杂质少的Bi2Te3基合金棒。经过成分调整，样品在整个温区的综合性能可明显提高。Bi0.36Sb1.64Te3、 Bi0.4Sb1.6Te3及Bi0.44Sb1.56Te3在整个温度区间内的ZT值均可达到1.0附近，其中Bi0.36Sb1.64Te3样品在420K的最大ZT值可达1.21。废碎片的收得率超过了98％。
　　2)对于P、N型混合的Bi2Te3基制冷晶棒切割废粒子，采用超声波洗涤、氢还原、一次熔炼及二次熔炼等工艺，可有效去除以合金氧化物、SiO2为主的杂质，获得的Bi2Te3基合金棒杂质含量低。成分调整后，样品由N型导电改性为P型导电，其中Bi0.36Sb1.64Te3及Bi0.4Sb1.6Te3样品在室温下的电导率均超过了1000S·cm-1，功率因子达到了4.0以上。废粒子的收得率达到了97.02％。
　　3)对于Bi2Te3基制冷晶棒切割废粉料，采用真空煅烧可去除切割液油污和部分锑氧化物等杂质，一次熔炼及二次熔炼可进一步提高Bi2Te3基合金的纯度。经过成分调整及通电加压烧结获得的P型块体材料的热电性能优异，其中名义成分为Bi0.36Sb1.64Te3的样品在350K时的ZT值达到了1.23。废粉料的收得率为85.73％。
　　4)通过调节Sb掺杂量，提高了Bi2-xSbxTe3块体的能带宽度及本征激发温度。Sb含量越高，本征激发温度越高，电导率随温度下降的速率越快，Seebeck系数的最大值也相应出现在更高的温度;同时，双极扩散热导率对总热导率的贡献也越小，最终，ZT峰值也被推到了更高的温度。其中样品Bi0.44Sb1.56Te3在340K时取得最大ZT值1.22，且样品Bi0.4Sb1.6Te3及Bi0.44Te1.56Te3在300-460K的温度区间内的平均ZT值均超过了1.0，更适合应用在温差发电领域。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 热电材料的发展历史

1．2 热电材料的应用

1．2．1 温差发电

1．2．2 热电制冷

1．2．3 传感器

1．3 热电材料的分类

1．3．1 传统热电材料

1．3．2 新型热电材料

1．4 Bi2Te3基热电材料

1．5 Bi2Te3基热电材料的制备方法

1．5．1 区域熔炼法

1．5．2 粉末冶金法

1．6 Bi2Te3基晶棒加工废料的资源处理现状

1．7 本论文选题的意义和主要内容

1．7．1 本论文的选题意义

1．7．2 本论文的主要研究内容

第2章 实验方法及设备

2．1 实验原料和仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 主要实验仪器

2．1．3 测试设备

2．2 材料的制备

2．2．1 高性能Bi2Te3基合金的烧结成型

2．3 材料的表征

2．3．1 物相分析

2．3．2 微观形貌分析

2．3．3 密度测试

2．4 样品性能的测试

2．4．1 迁移率及载流子浓度测试

2．4．2 电导率及Seebeck系数的测试

2．4．3 热导率的测试

第3章 加工废碎片的资源化处理与热电性能优化

3．1 实验过程

3．1．1 洗涤

3．1．2 熔炼

3．1．3 初始样烧结

3．1．4 成分调整

3．2 结果与讨论

3．3 本章小结

第4章 加工废粒子的回收与热电性能优化

4．1 实验过程

4．2 结果与分析

4．2．1 杂质去除

4．2．2 性能优化

4．3 本章小结

第5章 加工废粉料的回收与热电性能的优化

5．1 实验过程

5．2 结果与分析

5．2．1 废粉料的除杂

5．2．2 成分调整和性能优化

5．3 本章小结

第6章 通过能带拓宽提高P型Bi2Te3基热电材料的高温性能

6．1 实验过程

6．2 结果与分析

6．3 本章小结

第7章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参加的学术会议及获奖情况