非接触点胶打印结合选区激光熔化制备n型Bi2Te3材料及热电性能研究

摘要

热电转换技术是一种利用材料的Seebeck和Peltier效应实现热能和电能直接转换的新能源技术。该技术具有器件体积小、无振动、无噪音、无排放等优点，作为一种环境友好的技术越来越受到国际上的广泛关注。目前，商业应用的热电器件的制造需要经过块体材料的制备、p/n型粒子的切割、清洗、电镀、焊接和封装等复杂工艺过程，不仅原料浪费较大、成型精度低、制备周期长，而且难以制备具有复杂结构的器件和微型器件。 选区激光熔化技术是一种增材制造技术，其在结构材料与零部件制造中已有广泛应用，但在热电材料与器件等功能材料与器件中的应用还不成熟。这一方面是由于其对于粉体有较高的要求，粉体需要球形形貌和合适的粒径分布保证其良好的流动性；更为重要的是传统的铺粉方式每次只能对同一种粉体进行铺粉，不能同时进行多种粉体的铺粉。另一方面，热电材料其粉体的流动性较差，且很难同时制造由p型和n型材料组成的热电器件。 非接触点胶打印技术被视为一种很有应用前景的制造方式。这种技术可以根据个性化设计实现图案化打印，能够获得传统制造方法不易获得的结构，也可利用多个喷头的协同打印不同材料，具有较高的原料利用率和制造效率，可以对有机、无机、聚合物甚至是生物材料的料浆或溶液进行打印。 本研究将非接触点胶打印与选区激光熔化技术相结合，发展了一种快速、低成本的n型Bi2Te3热电材料的制备技术。我们首先采用本实验室发展的自蔓延燃烧方法合成的Bi2Te2.7Se0.3热电材料粉体，通过加入添加剂结合球磨的方法，研究了粉体尺寸、添加剂种类和含量、固含量、粘度等工艺参数对浆料特性的影响，获得了当热电材料粉体的固含量为20 vol%，料浆粘度为350 mPa·s，Tween20和Antifoam作为添加剂时，质量优异的料浆。在此基础上，通过按需喷射的方式将料浆精确沉积在基底上，调节喷射的时间、针头与基底的高度、点间距等工艺参数，当喷射时间为4.8 ms、喷射距离为3 mm、打印点间距为350μm时，获得了表面平整且没有裂纹，边缘平直的成形面。对非接触点胶打印的成形面进行激光处理过程中，当激光的体积能量密度为16.67 J/mm3时，可获得表面没有球化和汽化缺陷的成形质量优异的成形面。但是，由于选区激光熔化是高能量激光对热电材料的快速非平衡熔化、冷却凝固的过程。Bi2Te2.7Se0.3热电材料在SLM过程后，会导致Te与Se的少量缺失，造成材料的成分不均匀，材料中不同区域的Seebeck系数也有较大的差异，材料总体的性能不高。在673 K的温度中退火24 h后，可得到单一物相、成分均匀、Seebeck系数到达-152μV/K的n型Bi2Te2.7Se0.3材料。此研究为后续快速低成本制备高性能碲化铋热电器件奠定了重要基础。

目录

声明

第1章 前言

1.1 热电材料的研究背景及意义

1.2 热电器件及传统制备工艺

1.3 Bi2Te3基热电材料

1.4选区激光熔化技术及粉体要求

1.5 喷射打印技术

1.6 论文的研究思路及研究内容

第2章 研究方法及实验设备

2.1 材料制备设备

2.2 材料的表征设备

第3章 n型Bi2Te3热电材料墨水的制备

3.1 引言

3.2 墨水的制备流程

3.3 墨水所用粉体的制备

3.4 分散剂对墨水性质的影响

3.5 本章小结

第4章 非接触点胶打印n型Bi2Te3热电材料成形工艺研究

4.1 引言

4.2 非接触点胶打印单点工艺研究

4.3 非接触点胶打印单层成形工艺研究

4.4 本章小结

第5章 选区激光熔化及其热电性能研究

5.1 引言

5.2 实验

5.3 选区激光熔化单道线成形工艺探索

5.4 选区激光熔化单层面成形工艺的探索

5.5 退火对材料成分及热电性能的影响

5.6 块体材料的热电性能

5.7 本章小结

第6章 结论

参考文献

硕士期间发表论文和申请专利情况

致谢