βznlt4gtsblt3gt基纳米复合材料的制备、表征与热电性能研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要B-Zn4Sb3是最具有应用前景的中温热电材料之一。但由于其本身是重掺杂半导体化合物，掺杂引起的微结构和能带结构变化很难有效调节载流子的输运特性，如何优化p．Zn4Sb3化合物的热电性能是亟待探索的课题。本文研究了真空熔融缓冷法合成单相p—Zn4Sb3化合物的控制工艺，在此基础上采用化学包覆法结合放电等离子烧结技术(SPS)铝U备了纳米Si02、纳米Cu单一包覆和复合包覆的p．Zn4Sb3基纳米复合材料；重点研究了包覆层及其厚度对复合材料的电、热输运特性和机械强度的影响。采用抗酸、碱稳定性实验方法确定了在D—Zn4Sb3粉体表面化学包覆纳米Si02的工艺，利用

2、该工艺制备了一系列纳米Si02均匀包覆p-Zn4Sb3的Si02／p．Zn4Sb3纳米复合粒子。这些复合粒子经SPS形成的无裂纹复合材料的电导率和热导率均低于单组分p．Zn4Sb3材料，且随着纳米si02包覆层厚度的增加而逐渐下降；Seebeck系数高于单组分B-Zn4Sb3材料，但高温区的增幅明显高于低温区的增幅。纳米Si02包覆层厚度为12nln的复合材料的热导率最低，460K时仅为0．56W·m-1．K-1，该复合材料Z丁值在700K达到0．87，比单组分p．Zn4Sb3材料(刁kO．67)提高了30％，但低温区的刀值低于单组分D．Zn4Sb3材料。确定了液相还原法制备单相纳米Cu

3、的优化工艺，并通过原位液相还原和化学镀方法制备了一系列纳米Cu均匀包覆p．Zn4Sb3的Cu／B．Zn4Sb3纳米复合粒子。这些复合粒子经SPS烧结形成的无裂纹洲B．Zn4Sb3纳米复合材料的导电机制发生显著变化，表现出本征半导体的导电特性；Seebeek系数随着温度的升高先大幅度增大然后又逐渐降低；热导率高于单组分p．Zn4Sb3材料的热导率，且随着纳米Cu包覆层厚度增加而逐渐增大。采用化学包覆法制备了一系列纳米Cu和纳米Si02复合包覆p．ZmSb3的Cu(Si02)／p．Zn4Sb3纳米复合粒子。这些复合粒子经SPS烧结形成的无裂纹Cu(Si02．)／]B-Zn4Sb3纳米复合材料

4、的热电输运特性表现为，包覆层厚度小于6nm时，复合材料的电导率随温度升高先逐渐降低后略有升高、Seebeck系数逐渐升高，呈重掺杂半导体的导电特性；大于6nln时，随温度升高复合材料的电导率逐渐升高、Seebeck系数先升高后降低，表现出本征半导体的导电特性。包覆层武汉理工大学硕士学位论文厚度为3nm时，复合材料的热导率最低，该材料的Z丁值在700K达O．88，比单组分p—Zn4Sb3材料(ZT=0．67)提高了31％。与单组分[B-ZmSb3材料相比，S102／13．Zn4Sb3、Cu／D·Zn4Sb3和Cu(Si02)／lB．Zn4Sb3三种纳米复合材料的抗压强度均增大，最大增幅达到

5、193％。关键词：J3-Zn4Sb3，化学包覆法，纳米复合材料，热电性能，力学性能II武汉理工大学硕士学位论文ABSTRACT13-Zn4Sb3isoneofthepromisingthermoelectricmaterialsinthemoderatetemperaturerange．Dopingappearsdifficulttochangethecarriertransportpropertiesduetothefactthatp—Zn4Sb3isalreadyheavlydopedcompound．Therefore，theresearchofoptimizationthermo

6、electricpropertiesofp—Zn4Sb3compoundisoneoftheurgentissues．Inthisthesis，Single-phaseIB-Zn4Sbacompoundpowderswereproducedbymeltinginanevacuatedquartzampoulefollowedbyslowlycooling．Si02／p-Zn4Sb3，cu／p—Zn4Sb3andCu(Si02)／fl—Zn4Sb3nanocompositepowdersandnanocompositematerialswerepreparedbychemicalcoati

7、ngandSparkPlasmaSintering(SPS)．Theeffectsofthecoatinglayerthicknessesofnano—sizedSi02andCuparticlesonthermoelectricpropertiesandmechanicalstrengthofthreenanocompositematerialshadbeenemphaticallyinvestigated．Si02／P—ZmSb