《MNiSn基half-Heusler合金微波固相合成機理及其熱電性能研究》是依託安徽工業大學，由雷鷹擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：MNiSn基half-Heusler合金微波固相合成機理及其熱電性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：雷鷹
- 依託單位：安徽工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
開展熱電材料基礎研究對我國應對能源和環境危機具有極其重要的現實意義。針對中溫熱電材料MNiSn(M=Ti,Zr,Hf)基HH合金製備工藝複雜、成本昂貴、熱電性能最佳化困難等問題，本項目擬以Ti、Zr、Hf、Ni、Sn等金屬粉為原料，建立微波固相合成-熱壓燒結製備MNiSn基HH熱電合金新方法。在闡述金屬與微波作用規律基礎上，採用微波合成與電弧熔煉對比，探索原料配比、微波功率、輻射時間等影響因素對產物相組成、雜質分布、晶格參數、晶粒大小等微觀結構特徵的影響規律,揭示微波強化離子擴散、促進相組成均勻化、促使原位析出納米晶體結構的合成機理，闡明產物塞貝克係數、電導率、熱導率等熱、電傳輸性能與微觀結構特徵之間的內在關係, 進行熱電性能調控研究，建立微波固相合成-熱壓燒結製備高熱電優值HH合金的調控機制。項目的開展對豐富微波化學科學內涵，推動微波在熱電材料領域的技術發展具有重要的學術價值和科學意義。
結題摘要
由於日益嚴重的化石能源枯竭危機和環境污染惡化，對廢熱進行回收正變得越來越引人矚目。熱電轉化技術通過Seebeck和Peltier效應，可將廢熱直接轉化成可利用的電能，為應對現代能源危機提供可持續發展途徑。半赫斯勒合金是具有MgAgAs型晶體結構（SG 216 F-43 m）和xyz化學計量組成的18電子金屬間化合物，這裡x和y屬於過渡金屬如Ti、Zr、Hf、Ni、Co等，z屬於金屬或類金屬元素如Sn、Sb等。它是一種極具潛力的中高溫熱電材料，具有較好的導電性、較高的塞貝克係數。半赫斯勒電材料的製備通常採用電弧熔煉法、懸浮熔煉法、固相合成法和機械合金化等製備出前驅體，並採用72 h~2 weeks退火來細化晶粒並使組織均一化，最後採用放電電漿燒結或熱壓燒結來獲得緻密化塊體。存在工藝複雜、生產周期長、成本昂貴等突出問題。在項目資助下，我們提出採用微波合成和微波燒結來製備TiNiSn基熱電合金塊體的技術思路。首次採用粉末冶金與微波合成、微波燒結的全微波製備流程，在4~5 min內即獲得了單一相純度很高的ZrNiSn、TiNiSn合金，並採用微波無壓燒結20~30min製備半赫斯勒熱電塊體，相比傳統製備路線，微波加熱極大程度縮短製備時間，無需退火。在高效製備的前提下，利用微波場中極大的加熱速率，獲得了基體晶粒小於等於10μm，原位析出燒結孔和少量熱分解第二相尺寸約100~500nm，這些納米結構強化了量子限域效應，增強了聲子界面散射機制，使製備的非摻雜ZrNiSn、TiNiSn熱電塊體在熱性能方面顯著優於文獻報導，其熱導率分別為2.86~3.96 W•m-1•K-1和1.96~2.45 Wm-1K-1。針對電阻率較大的問題，在z位摻雜Sb元素，在保持晶格熱導率較低（1.76~3.77 Wm-1K-1）的條件下，使電阻率降低一個數量級，獲得的TiNiSb0.05Sn0.95最高功率因子為4042μWm-1K-2（473K）；針對熱電優值提高不大的問題，在x位摻雜較重元素來最佳化成分和微結構，通過調整能帶結構來提高綜合電性能，獲得的Zr0.3Ti0.7NiSn最高無量綱熱電優值為0.60（673K）。項目的開展對豐富微波化學科學內涵，推動微波在熱電材料領域的技術發展具有重要的學術價值和科學意義。
