磁性纳米掺杂TiNiSn基热电材料的制备与性能研究

作     者：何俊松 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡季帆

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：TiNiSn 热电材料 熔融旋甩 磁性掺杂 half-Heusler 

摘      要：新型绿色能源为未来科技的发展提供了新的动力,热电材料是一种能够直接将电能和热能相互转换的稳定材料。Half-Heusler热电材料具有非常优秀的电性能、热稳定性、机械性能良好和成本相对低廉,有非常大应用潜力。由于half-Heusler化合物在研究中发现通常因为热电材料的晶格热导率过高,这导致材料的z T值明显降低,最终使得half-Heusler化合物的热电性能表现不佳。为了解决以上问题,本文利用熔体旋甩结合离子体快速烧结SPS制备工艺,获得了纯度几乎单相的TiNiSn化合物,并且对其相成分组成、微观晶体结构和热电输运性能进行了全面的分析;利用Co/Ni元素掺杂TiNiSn,研究Co/Ni对TiNiSn基化合物的物相组成与热电性能变化的影响,结果分述如下: （1）利用电弧熔炼、熔体旋甩和放电等离子烧结相结合的方式制备了一系列Co掺杂的TiNi CoxSn（x=0～0.05）化合物样品,其中TiNi CoxSn样品的TiNiSn相的纯度非常高。采用熔体旋甩快淬工艺制备的TiNi CoxSn化合物的晶粒尺寸在纳米级,其与块体材料相比有效降低晶粒尺寸,放电等离子烧结制备工艺有效保障了晶粒特征。晶粒细化有利于降低晶格热导率,最终使得TiNiSn化合物的本征热导率显著降低,平均降幅约为17.8%。此外Co掺杂后TiNi CoxSn样品的晶粒尺寸进一步降低,与TiNiSn基体相比TiNi CoxSn样品的热导率显著降低,最大降幅约为38.9%,其中晶格热导率最低值为3.19W/m K,最大降幅约为42.6%。随着Co掺杂量x的增加TiNi CoxSn样品出现n/p转变,电导率随x增加表现出规律性下降趋势,电输运性能劣化,功率因子呈规律性下降,其中TiNiSn样品在700 K时获得29.56 W/m K2的最高功率因子。在功率因子和热导率共同作用下的z T值随Co掺杂量x的增加而逐渐降低,最终TiNiSn样品在900 K时获得最大z T值为0.48。本工作表明采用熔融旋甩制备工艺及磁性Co掺杂能够有效降低TiNiSn材料的热导率。 （2）在Ni掺杂TiNi1+xSn（x=0～0.08）样品的研究中,采用熔融旋甩及SPS烧结的制备工艺能够直接获得纯度较高且具有纳米晶粒的TiNi1+xSn样品。其TiNiSn基体的热导率明显低于块体材料的热导率,平均降幅约为19.6%。TiNi1+xSn样品的热导率与TiNiSn基体相比有显著降低,最大降幅为41.8%,其中晶格热导率最低值为2.953 W/m K,最大降幅48.3%,较电弧熔炼的块体TiNiSn最大降幅约为56.9%,因此熔体旋甩工艺和Ni掺杂能够显著降低热导率。M-H曲线表明样品是由抗磁性的TiNiSn相和铁磁性的杂质相组成的,磁性非常微弱。TiNi1.03Sn样品在770 K获得了最高功率因子,约为28.06W/m K2,最终在900 K获得最大ZT值为0.51,较电弧熔炼的块体TiNiSn提升了49.3%。