Mg2(Si,Sn)基热电材料研究进展

摘要

热电材料又称温差电材料,是利用固体中载流子和声子的输运及其相互作用实现热电相互转换的新型功能材料。热电材料可以将太阳辐射、工业废热、汽车尾气余热等转换成电能,对缓解污染和能源压力有重要意义。此外,热电制冷器件也具有低噪音、无污染、体积小和反应灵敏等压缩机制冷所不具备的优点,近年来受到研究者的广泛关注。材料的热电转换性能通过热电优值ZT表征,如何提高热电转换效率(即提高ZT值)成为研究者关注的热点。作为最具潜质的中温区热电材料之一,Mg 2(Si,Sn)基热电材料由于其低廉的成本和无毒无害等优点,过去十几年被广泛研究。近年来,研究者们尝试了多种方法(如高频感应熔炼、固相反应加热压烧结、两步固相反应加放电等离子烧结和快速凝固加等离子活化烧结等)来获得高质量的Mg 2(Si,Sn)块体。除此之外,研究者们还利用能带工程、单元素和双元素掺杂等方法来进一步提高材料的ZT值,这些方法可以使合金的ZT值从0.5提高到1.55。但是这类基于固相反应加烧结来制备纳米级晶粒块体材料的方法存在反应不完全和服役过程中晶粒易发生长大等问题。而且由于Mg元素极高的化学活泼性和挥发性,以及组成合金的各元素之间较大的熔点差,给熔炼法制备Mg 2(Si,Sn)块体材料带来了很大的困难,极大地限制了材料热电性能的优化。因此,如何制备高质量的Mg 2(Si,Sn)块体材料成为亟待解决的难题。本文综述了Mg 2(Si,Sn)基热电材料制备方法的最新研究进展,以及能带工程和掺杂元素的选择等ZT值优化途径,提出存在的问题和未来的发展方向。同时,本文提出采用材料定向凝固方法制备Mg 2(Si,Sn)单晶材料,并利用单晶各向异性来优化其热电性能,此方法有望解决纳米级晶粒块体材料服役过程中出现晶粒长大而导致的性能恶化问题,同时为此类合金热电材料的性能优化提供了新的思路。