自蔓延高温合成制备Cu2Se基热电材料及其性能研究

摘要

热电技术可以实现热能和电能之间的直接互相转换，因此常被用于热电发电和热电制冷。近年来，Cu2Se以其优异的热电性能（ZTmax=1.8@1000 K[1]）而受到人们的广泛关注。自从自蔓延高温合成法被引入到热电材料 Cu2Se中以来[1]，关于其自蔓延燃烧过程中的相转变及微结构形成机理的研究还未见报道。此外，在 Cu2Se的自蔓延燃烧这一超快速过程中，掺杂元素的作用也不清楚。这些问题的解决对于理解Cu2Se自蔓延燃烧过程和实现Cu2Se材料的超快速、低成本可控制备至关重要。
　　基于Cu2Se的研究现状，本研究采用燃烧波淬灭法探明其自蔓延燃烧过程中的相转变过程。此外，研究了影响自蔓延燃烧过程中的几个关键参数（初始粉料尺寸、成片压力）对Cu2Se自蔓延燃烧过程的影响。并从工业化大规模生产的角度出发，进一步研究这些工艺参数对 Cu2Se热电性能的影响规律。在自蔓延高温合成（SHS）结合等离子活化烧结（PAS）的基础上，选取合适的元素分别对 Cu2Se的 Cu位和Se位进行掺杂，研究掺杂对 Cu2Se化合物相组成、相变、微结构、成分以及热电性能的影响规律。本论文的主要研究内容如下：
　　运用燃烧波淬灭并逐层对淬灭产物进行分析的方法，研究了Cu2Se在自蔓延燃烧过程中的相转变过程。通过对每层产物的物相分析及微观形貌表征得出：Cu2Se在自蔓延燃烧过程中不是一步形成的，而是经由一系列中间相逐步转变后形成的，即Cu与Se先形成CuSe相，随着反应的进行，CuSe相开始向Cu含量更高的相逐步转变，如Cu3Se2、Cu1.8Se、Cu2-xSe，直至最后完全转变成Cu2Se，且Cu2Se的自蔓延燃烧过程是一个非平衡过程。
　　系统研究了原料颗粒尺寸大小及坯体密度对Cu2Se自蔓延燃烧过程的影响。结果显示，随着原料颗粒尺寸的减小，粉末的比表面积增大，颗粒与颗粒之间接触面积增大，燃烧波的传播速度增大；成坯致密度变大后，反应区的热散失加剧，燃烧速度下降。然而，改变原料颗粒尺寸及坯体密度未能影响自蔓延燃烧的燃烧温度。在自蔓延燃烧的基础上，采用等离子活化烧结（PAS）技术制备了致密的 Cu2Se块体材料，系统研究了原料颗粒尺寸以及坯体密度对Cu2Se热电性能的影响规律。结果显示，原料颗粒尺寸（微米尺度）以及坯体密度未对Cu2Se的热电性能产生显著影响。因此，从工业化生产方面来讲，原料粒度及坯体压力的选择范围较广。
　　分别系统研究了Cu位掺杂和Se位掺杂对Cu2Se相组成、成分分布、微结构以及热电性能的影响规律。在 Cu位选取了 Cd元素进行掺杂。Cd掺入后，Cu2Se化合物的相组成、微观结构及成分分布未发生明显变化，但相转变温度提高。随着Cd掺杂量的增加，电导率先降低，当掺杂量达到 x=0.006时，电导率保持不变。Seebeck系数的变化关系与电导率相反。Cd掺杂样品较未掺杂样品的功率因子减小。未掺杂的样品在873K时取得最大功率因子为1.09 mWm-1K-2。Cd掺杂后，由于电子热导率的降低， Cd掺杂样品较未掺杂样品热导率大幅度降低。Cd掺杂量为0.006的样品在873K时取得最低热导率为0.5 Wm-1K-1。Cd掺入后，样品的热电优值 ZT值较未掺杂样品有一定幅度的增加，但随掺杂量的变化不大。x=0.006的样品在873 K时取得最大ZT值约为1.34，相比于未掺杂的样品（ZTmax=1.28@873 K）提高了约4.7％。
　　选取了Te元素在Se位进行掺杂。掺杂后，样品的相组成、微结构、成分分布也未发生明显改变，相转变温度提高。随着 Te掺杂量的增加，电导率先降低后增加。Seebeck系数的变化规律则与电导率相反，随着Te掺杂量的增加先增加后减小。Te掺杂后，由于电子热导率的降低，Te掺杂样品较未掺杂样品热导率大幅度降低。掺杂量为0.02的样品在873 K时取得最低热导率为0.57 Wm-1K-1。由于Te掺杂后材料的功率因子减小，Te掺入后，样品的 ZT值未得到提高。x=0.02的样品在873 K时取得最大ZT值约为1.28。

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第1章 绪 论

1.1 热电材料的研究进展

1.2 Cu2Se热电材料的研究进展

1.3 自蔓延高温合成

1.4 本论文的选题目的及主要研究内容

第2章 实验方法及设备

2.1 实验流程

2.2 燃烧波淬灭实验

2.3 燃烧波传播速率及燃烧温度的测量

2.4 材料合成与制备设备

2.5 材料相组成、微结构的表征及设备

2.6 热电性能的测试及设备

第3章 燃烧波淬灭法研究Cu2Se自蔓延高温合成机理

3.1 前言

3.2 实验内容

3.3 实验结果

3.4 本章小结

第4章 工艺参数对Cu2Se自蔓延过程及其热电性能的影响

4.1 前言

4.2 实验内容

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 掺杂对Cu2Se相转变及热电性能的影响

5.1 前言

5.2 Cu位掺杂对Cu2Se热电性能的影响

5.3 Se位掺杂对Cu2Se热电性能的影响

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文、申请专利和国内会议

致谢