粉末冶金法制备Si80Ge20B1.2合金及其热电性能

摘要

放射性同位素电池(Radioisotope thermoelectric generator,RTG)在深空探测中发挥着不可替代的作用.基于硅锗合金制备的温差发电器是RTG的核心部件,硅锗合金的热电性能对RTG的性能有重要影响.硅锗合金的热电性能和其制备工艺、杂质掺杂等因素密切相关,因此需要对其制备工艺研究与优化.本文采用熔炼和热压烧结制备了P型Si80 Ge20 B1.2合金,研究了热压烧结工艺参数(热压温度、热压压力、保温时间)对Si80 Ge20 B1.2合金密度的影响,对Si80 Ge20 B1.2合金进行了物相结构分析、微观组织分析,并对其热电性能进行了测试.结果表明:1703 K下熔炼2 h后硅和锗可以形成固溶体,热压烧结工艺参数中,热压温度对Si80 Ge20 B1.2合金密度影响更为明显;热压温度1523 K、热压压力60 M Pa、保温时间为120 min时制备的Si80 Ge20 B1.2密度为2.99 g/cm3,达到其理论密度的99.7％,XRD和SEM分析表明,其结构致密,硅锗分布均匀;热压烧结制备的Si80 Ge20 B1.2有较低的热导率,在303 K～1073 K范围内,热导率介于2 W/(m·K)～3.2 W/(m·K)之间;Si80Ge20B1.2在1073 K时具备较佳的热电性能,在该温度下,其功率因子为1.76 mW/(m·K2),ZT值0.86.上述研究结果为RTG中温差发电器的研制提供了参考.