碲化鉍基熱電材料的熱噴塗織構化製備與性能研究

《碲化鉍基熱電材料的熱噴塗織構化製備與性能研究》是依託西安交通大學，由楊勝輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碲化鉍基熱電材料的熱噴塗織構化製備與性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊勝輝
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

本項目以碲化鉍基熱電材料為研究對象，擬採用熱噴塗結合放電等離子燒結工藝製備具有納米結構的織構化塊體材料。通過快速冷卻引入的納米結構可明顯降低晶格熱導率，而織構化微結構則有利於提高電輸運性能，因此有望改善其整體熱電性能。需要探索製備工藝參數對微結構的影響規律，解析微結構特徵對電聲輸運行為的作用機理，進而達到對微結構和熱電輸運性能進行協同最佳化的目的，最終獲得高性能塊體熱電材料並完善相關製備技術的可控性。碲化鉍基熱電材料在室溫附近的熱電發電和製冷均具有很大的潛力和優勢，本課題的實施對進一步認識微結構與性能之間的關聯以及開發調控微結構的新方法具有指導意義。

結題摘要

碲化鉍基材料在室溫到300度具有優異的熱電性能，在低品質熱發電、無人供電系統、精確控溫、製冷等領域有著巨大的潛力。本課題以碲化鉍基熱電材料為研究對象，利用熔體熱噴塗工藝製備納米結構-織構複合微結構塊體材料，協調最佳化納米結構與擇優取向對聲、電輸運性能的影響，以獲得較高的熱電性能。通過納米相複合最佳化納米結構碲化鉍基材料的熱電性能。將最佳化的熔體熱噴塗工藝成功套用到碲化鍺基熱電材料體系，其熱電性能亦獲得大幅地提高。 課題實施過程中，課題組從熔體熱噴塗新製備工藝和納米相複合這兩方面對碲化鉍基熱電材料進行性能最佳化。利用熔體熱噴塗工藝可以獲得納米結構－織構複合微結構的碲化鉍基熱電材料，熱噴塗技術的快速凝固過程可顯著降低晶粒尺寸，而沉積過程存在的溫度梯度可使晶粒具有一定的擇優取向。通過協調最佳化晶粒尺寸和取向度對材料電子、聲子輸運的影響，提升材料熱電優值。研究結果表明，利用熔體熱噴塗工藝製備的P型碲化鉍基材料，其熱電優值可達1.4，而N型材料的熱電優值為1.1，較原有材料有明顯提升。通過製備不同元素摻雜和納米複合相的碲化鉍基塊體，對摻雜、複合所引起的材料微結構及性能變化進行表征和分析。重點考察了不同納米複合相對碲化鉍基材料微結構、載流子、熱傳輸的影響。研究結果表明，天然納米材料D-ATP複合的P型BiSbTe材料的載流子和聲子輸運性能得到最佳化，其熱電優值達到1.3，較區熔樣品有顯著提高。而In2Te3複合的N型熱電材料熱電性能同樣獲得較大提升。同時熔體熱噴塗製備方法拓展至其他熱電材料體系，所得塊體材料具有多種納米結構特徵，其熱電性能獲得大幅地提高。項目執行過程中共發表文章6篇，其中SCI收錄6篇，申請專利1項，其中1項已授權，以上結果基本達到考核指標。