自分散SiNWs粉体及SiNWs-Mg2Si复合材料的制备及热电性能研究

摘要

作为纳米半导体材料，独特的量子限制效应和表面散射效应使硅纳米线(Silicon Nano-Wires，SiNWs)具有较高的Seebeck系数和较低的热导率，同时功率因子与块体材料相当，因此若将SiNWs与块体材料复合制备纳米复合结构材料将会大幅度提升基体材料的热电性能。
　　本文主要针对传统纳米线在后期处理中易缠绕和团聚等问题，分别采用机械合金化(Mechanical Alloying，MA)和硝酸镍分解-氢还原法制备具有包覆结构的Si-Ni粉体，然后经共晶析出生长具有自分散特征的SiNWs粉体，并针对共晶反应和MA工艺参数对其数量和形貌的影响进行了研究。再将硝酸镍分解-氢还原辅助共晶反应法获得的SiNWs粉体、MgH2粉和Si粉经微波固相反应和电场激活压力辅助合成(Field-Activated andPressure-Assisted Synthesis，FAPAS)制备SiNWs-Mg2Si复合功能材料，对其研究结果如下:
　　采用硝酸镍分解-氢还原辅助共晶析出生长自分散SiNWs粉体，Si∶Ni摩尔比和Si粒径对镍包硅结构粉体、SiNWs的数量等生长动力学过程有重要的影响。采用粒径为74μm的Si粉获得的SiNWs呈线状，且当共晶反应温度为950℃，保温时间为120min，Si∶Ni摩尔比为2∶1，获得的SiNWs分布均匀，占总体积的80％。若采用球磨法将Si粉的粒径细化至100nm，则可获得以Si核为中心呈径向不断生长的SiNWs粉体，单根直径约150nm，长度约1.5μm，具有很好的自分散性。
　　采用MA可以有效形成Ni包Si结构的混合粉体，并在后期的共晶反应过程中形成自分散特征的SiNWs粉体;Si、Ni配比对SiNWs数量和直径有明显影响，当Si∶Ni摩尔比为1∶1时，制备的自分散SiNWs数量最多，约占总体积的90％。且当摩尔比Si∶Ni为1∶1时，球料比和时间分别为3.2∶1和2h，可获得大量长径比为13/1的自分散SiNWs。
　　SiNWs的掺入有效降低了SiNWs-Mg2Si复合热电材料的热导率，特别是显著降低了其晶格热导率，但电性能稍有所降低。Mg2SiSiNWs0.016材料的ZT值在整个温度区间变化并不明显，并在800K达到ZTmax=0.09;而Mg2SiBi0.02SiNWs0.016材料的ZT值随温度单调增大，并在800K达到ZTmax=0.58。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 热电材料

1．1．1 热电效应

1．1．2 热电材料的研究进展

1．1．3 Mg2Si基热电材料的研究进展

1．2 硅纳米线的概述

1．3 硅纳米线的制备方法

1．4 纳米复合材料

1．5 课题研究的意义及内容

1．5．1 课题研究的意义

1．5．2 研究的主要内容

第二章 实验

2．1 实验材料

2．2 实验流程

2．3 材料合成及制备过程

2．3．1 采用硝酸镍分解-氢还原法制备Ni包Si结构粉体

2．3．2 采用MA制备Ni包Si结构粉体

2．3．3 共晶析出反应

2．3．4 微波固相反应

2．3．5 FAPAS烧结成型

2．4 材料的性能分析

2．4．1 产物物相分析

2．4．2 热电性能分析

第三章 采用硝酸镍分解-氢还原辅助共晶法制备自分散SiNWs粉体

3．1 引言

3．2 实验工艺参数

3．3 结果与分析

3．3．1 Si-Ni包覆粉体制备及表征

3．3．2 SiNWs粉体制备及表征

3．3．3 SiNWs粉体生长机制

3．4 本章小结

第四章 采用MA辅助共晶法制备自分散SiNWs粉体

4．1 引言

4．2 实验工艺参数

4．3 结果与分析

4．3．1 自分散SiNWs的生长模型

4．3．2 自分散SiNWs粉体的制备及表征

4．3．3 自分散SiNWs的生长机制

4．4 本章小结

第五章 SiNWs-M92Si复合材料的制备及热电性能研究

5．1 引言

5．2 实验工艺参数

5．3 结果与分析

5．3．1 物相和显微结构分析

5．3．2 热电性能分析

5．4 本章小结

第六章 结论

6．1 实验结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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