反应法制备纳米级Mg2Si基热电材料及热电性能表征

摘要

热电材料是一种能通过载流子运动实现电能和热能相互转换的功能材料，其主要用于温差发电和半导体制冷，具有无须使用传动部件，适用温度范围广，无噪声，不排放污染物等优点，是一种新型的绿色能源材料。Mg2Si作为一种廉价环保的热电材料，原材料储量丰富，具有低密度、高熔点、高比强度和良好的热物理性能，被誉为是最有发展前景的一类中温热电材料。普遍认为通过降低晶粒尺寸至微米级乃至纳米级可显著降低Mg2Si的热导率，高纯度和纳米级晶粒的统一是获取高性能Mg2Si热电材料的必然途径。
　　 本文用MgH2粉反应法制备高纯度Mg2Si，有效避免了单质Mg粉氧化杂质，反应所生成的氢分压可以进一步降低产物中的氧含量。采用低温固相反应+FAPAS(Field-Activated and Pressure-Assisted Synthesis)技术相结合的一步合成工艺制备了高纯度纳米Mg2Si块体热电材料，并对其反应工艺进行了优化，制备了Y、Pr掺杂的Mg2Si基热电材料。对比研究了新工艺方法制备Mg2Si的优点及稀土元素掺杂对Mg2Si基热电材料性能的影响。
　　 研究结果表明，反应法制备的三个系列试样均成相良好、纯度较高且峰形尖锐，结晶度好，平均晶粒尺寸均在50nm左右。纳米晶粒可显著降低其热导率，从而提高热电性能。高纯度纳米Mg2Si试样的热导率和ZT值为3.5μV/K、0.20，分别是传统工艺的40％、1.11倍。MgH2反应法可一步合成且产物具有高纯度，试样的晶粒尺寸约为56.7nm，热导率在800K为2.3Wm-1k-1，是传统工艺的57％，ZT值在800K约为0.33，是传统工艺的1.6倍。Pr掺杂可有效提高热电材料的电导率从而提高其ZT值，掺杂量为0.2at％试样的ZT值为未掺杂试样的1.5倍。关键诃：MgH2，反应法，Mg2Si，稀土掺杂，Mg2Si0.8Sn0.2热电材料