轧制工艺对Cu56Ni42Mn2热电合金组织与性能的影响

摘要

热电材料可以通过固体内部载流子和声子的运动来实现热能和电能的相互转换，因而可用于余热回收发电和固态制冷等新兴领域。Cu-Ni合金作为一种传统的热电偶材料，因具有较低的电阻温度系数，较高的室温热电势和良好的力学性能而广受关注，并被视作一种潜在的热电材料。然而，由于具有明显的金属特性，目前Cu-Ni合金热电材料的性能仍然较低，本文选取Cu56Ni42Mn2合金热电材料作为研究对象，通过优化制备工艺，调控合金的显微结构，优化其热电性能。 本文采用熔炼+机械加工工艺，制备Cu56Ni42Mn2合金热电材料。首先通过熔炼及均匀化处理的方法制备出成分均一的Cu56Ni42Mn2单相固溶体合金铸锭，然后，在进行热轧后，选择室温和低温（液氮氛围）两种不同的温度分别进行轧制，将轧制变形量控制在50%，60%，70%，80%和90%。并选取了均匀化处理后的铸造样品作为参照样品。研究了轧制温度和轧制变形量对Cu56Ni42Mn2合金热电材料微观结构、热电性能及力学性能的影响规律。 研究发现，室温轧制样品的组织相比铸造样品有所细化，轧制后晶粒沿轧制方向被拉长，呈现出宽窄不均的条带状，层片间有少量位错分布，基体片层尺度为亚微米级，平均间距约为117nm。当轧制变形量相同时，低温轧制样品组织也发生细化，且细化程度优于室温轧制样品，轧制后获得了沿轧制方向伸长的条带状结构，同时还引入了大量的纳米孪晶和位错，孪晶/基体片层尺度为纳米级，平均间距约为29nm。 轧制处理协同优化了Cu56Ni42Mn2合金的热、电输运性能。对比不同轧制温度，虽然合金的电导率都有所下降，但Seebeck系数和功率因子均有所提高，且低温轧制样品的Seebeck系数和功率因子比室温轧制时提高更显著。合金的热导率均有所降低，并且低温轧制样品热导率更低。相比室温轧制，低温轧制时合金ZT值提高更显著，在873K时，室温轧制和低温轧制样品的ZT值分别达到0.22和0.24，比铸造样品分别提高了16%和26%。对比不同的轧制变形量，当轧制温度同为低温时，轧制后合金的电导率均有所下降，但基本不受变形量的影响。合金的Seebeck系数和功率因子随着变形量的增加呈增高的趋势。 轧制工艺也会影响Cu56Ni42Mn2合金的力学性能。在变形量相同的情况下，低温轧制时样品的力学性能更优。在变形量为90%时，室温轧制和低温轧制样品的抗拉强度分别为680MPa和894MPa，比铸造样品分别提高了139%和214%。对比不同的轧制变形量，变形量越大，强化效果越明显，相对于铸造样品，50%，70%和90%变形量低温轧制样品的抗拉强度分别提高了153%、167%和214%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 热电效应及热电参数

1.2.1 Seebeck效应

1.2.2 Peltier效应

1.2.3 Thomson效应

1.2.4 热电转换效率及热电参数

1.3 热电材料的研究进展

1.3.1 热电材料的发展进程

1.3.2 热电材料的优化手段

1.4 Cu56Ni42Mn2热电合金的研究现状

1.4.1 Cu56Ni42Mn2热电合金的基本性质

1.4.2 Cu56Ni42Mn2热电合金的研究进展

1.5 本文的主要研究目的及内容

第2章 Cu56Ni42Mn2热电合金的制备及表征

2.1 实验材料及设备

2.2 样品制备

2.2.1 制备方法

2.2.2 对比实验设计

2.3 物相和组织表征

2.3.1 X射线荧光光谱分析

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3 电子探针X射线显微分析

2.3.4 透射电 子显微 分析

2.4 热电性能测试

2.4.1 Seebeck系数和电导率

2.4.2 热导率

2.5 力学性能测试

第3章 轧制工艺对Cu56Ni42Mn2热电合金显微结构的影响

3.1 样品的成分与相组成

3.1.1 样品的成分表征

3.1.2 不同轧制温度样品的物相分析

3.1.3 不同轧制变形量样品的物相分析

3.2 不同轧制温度样品的微观结构分析

3.2.1 不同轧制温度样品的组织表征

3.2.2 轧制温度影响 显微 结构的原理

3.3 本章小结

第4章 轧制工艺对Cu56Ni42Mn2合金热电性能和力学性能的影响

4.1 轧制温度对Cu56Ni42Mn2合金热电性能的影响

4.1.1 电输运性能分析

4.1.2 热输运性能分析

4.1.3 无量纲优值ZT

4.2 轧制变形量对Cu56Ni42Mn2合金电输运性的影响

4.2.1 电导率

4.2.2 Seebeck系数

4.2.3 功率因子

4.3 轧制工艺对Cu56Ni42Mn2合金力学性能的影响

4.3.1 硬度

4.3.2 拉伸性能

4.3.3 强化机理分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表学术论文情况

致谢

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