检索结果-南通市图书馆

热电材料椭圆孔边双共线裂纹问题的复变函数方法

维普期刊数据库

同方期刊数据库评论

在线全文

学校读者我要写书评

暂无评论

应用力学学报 2024年

作者：王程颜刘官厅内蒙古师范大学数学科学学院内蒙古自治区应用数学中心

本文在热电材料含圆孔次生裂纹问题的研究基础上，应用均匀电流和能量流作用下的边界条件，基于复变函数方法，研究了热电材料中次生双共线裂纹的椭圆孔口问题。在缺陷处为非渗透型的边界条件下，给出了裂纹尖端处的电流强度因子、能量... 详细信息

本文在热电材料含圆孔次生裂纹问题的研究基础上，应用均匀电流和能量流作用下的边界条件，基于复变函数方法，研究了热电材料中次生双共线裂纹的椭圆孔口问题。在缺陷处为非渗透型的边界条件下，给出了裂纹尖端处的电流强度因子、能量流强度因子和应力强度因子解析解。将该构型退化或改变某些几何参数后可得到一些特殊缺陷，如椭圆孔次生一条裂纹、圆孔次生两条裂纹、圆孔次生一条裂纹、Griffith裂纹等情况。在数值算例中分析了孔口长度、孔口高度和裂纹长度对电流强度因子和应力强度因子的影响。结果表明，两种强度因子随左右任意一侧裂纹长度的增加或孔口长度的增加而增大，说明任意一侧裂纹长度的增加或孔口长度的增长对裂纹的扩展有促进作用。孔口高度增加时，两种强度因子随之减小，即孔口高度的增加对裂纹的扩展有抑制作用。

关键词：热电材料 Cauchy积分共形映射强度因子

同方期刊数据库评论

在线全文

同方期刊数据库

学校读者我要写书评

暂无评论

应对热电材料人工智能领域的大数据挑战

Science China Materials 2024年第4期67卷 1173-1182页

作者：贾雪 Alex Aziz Yusuke Hashimoto 李昊 Advanced Institute for Materials Research(WPI-AIMR) Tohoku UniversitySendai 980-8577Japan Tohoku Forum for Creativity Tohoku UniversitySendai 980-8577Japan

人工智能的发展正在改变材料科学领域.然而,大规模材料数据集中存在错误数据以及利用机器学习预测与温度相关的性质时出现过拟合等挑战.本文以热电材料为例,首先采取一系列合理的方法删除问题数据,从Starrydata2数据库中获得包括7295种... 详细信息

人工智能的发展正在改变材料科学领域.然而,大规模材料数据集中存在错误数据以及利用机器学习预测与温度相关的性质时出现过拟合等挑战.本文以热电材料为例,首先采取一系列合理的方法删除问题数据,从Starrydata2数据库中获得包括7295种成分在不同温度下的92,291个数据.然后,提出了一种基于成分的交叉验证方法避免过拟合.进而,使用梯度提升决策树方法构建了机器学习模型,并获得了显著的R2.最后,使用该模型对Materials Project数据库中的材料进行评估,Ge2Te5As2和Ge3(Te3As)2表现出较高的zT值.理论计算得到n型和p型Ge2Te5As2的最大zT值为1.98和2.12,n型和p型Ge3(Te3As)2的最大zT值为0.58和0.74,表明它们是有潜力的热电材料.本工作提出了一个处理和克服材料科学中的人工智能大数据挑战的示例.

关键词：人工智能大数据机器学习过拟合热电材料材料数据数据库温度相关

维普期刊数据库

同方期刊数据库评论

在线全文

学校读者我要写书评

暂无评论

本征高品质因数热电材料的输运机制研究

本征高品质因数热电材料的输运机制研究

作者：宋旭豪烟台大学

学位级别：硕士

热电材料可以利用各种热源,包括太阳能、地热和余热,在不增加现有污染物的情况下产生清洁的电力。热电装置可以直接将热量转化为电能,并且没有机械噪音和振动,从而确保发电过程的可持续运行,为解决能源短缺和环境污染提供了一种有前途... 详细信息

热电材料可以利用各种热源,包括太阳能、地热和余热,在不增加现有污染物的情况下产生清洁的电力。热电装置可以直接将热量转化为电能,并且没有机械噪音和振动,从而确保发电过程的可持续运行,为解决能源短缺和环境污染提供了一种有前途的解决方案。因此,寻找具有高品质因数的母体热电材料一直是人们所追求的方向。本文通过第一性原理计算结合自洽声子理论、电声耦合和Boltzmann输运方程,系统地研究了三种代表性材料Rb Ba X（X=Sb,Bi）、LiNa Bi和XAg Se（X=Sc,Y）的输运机制,总结了各向异性热电输运性质、本征低晶格热导率和本征高功率因子的起源。本研究旨在探索本征高品质因数热电材料的输运机制,为高效率热电材料的开发指明方向。首先,我们深入研究了斜方相Rb Ba X（X=Sb,Bi）的原子成键和晶格振动性质,并评估了其热电性能。通过电子局域化函数分析,我们发现这两种材料具有强各向异性。它们沿a轴具有异常弱的原子键合,由此产生的低声子群速度和大非谐声子散射导致了超低晶格热导率。此外,导带底在Γ-X高对称线上的高色散有利于n型掺杂沿a轴方向的电子输运。结合低热导率和高电导率,两种材料在a轴方向表现出较高的热电品质因数。结果表明,斜方相Rb Ba Bi的热电性能优于其先前被报道的半赫斯勒结构。同时,形成焓更低使其更有希望被合成,是一种潜在的热电候选材料。其次,我们通过考虑声子能量的非谐重整化进行最先进的第一性原理计算,全面研究了双碱金属铋化物LiNa Bi的力学、热输运和热电性质。通过力学性能计算和从头算分子动力学模拟,发现LiNa Bi具有良好的耐久性和高温热稳定性。此外,较强的四声子散射导致晶格热导率在高温下迅速下降,在900 K时只有0.73 WmK。同时,以共价键结合的Bi-Bi原子框架提供了较高的电导率和载流子迁移率。研究发现n型和p型掺杂都能捕获非常高的功率因子和优异的热电性能。其中,p型LiNa Bi在900 K时的热电品质因数高达2.66,几乎是经典热电材料Pb Te的两倍。因此,LiNa Bi是一种很有前途的热电候选材料,而且价格低廉、重量轻、耐用等优点使其具有大规模应用的潜力。最后,我们通过考虑电声耦合和杂质散射捕获合理的电子弛豫时间,系统性地研究了银基硫族化合物XAg Se（X=Sc,Y）的热电输运性质。结果表明,软的X-Ag键和由X和Se原子组成的赝笼中的共振键导致了超低晶格热导率。此外,多谷电子能带结构表现出良好的色散和高简并度,从而产生高功率因子。值得注意的是,p型YAg Se在900 K时的热电品质因数为3.70,打破了长期以来小于3的记录。我们证明了这种材料在热电应用方面的巨大潜力,并阐明了其热电输运的物理机制。

关键词：热电材料第一性原理计算输运性质晶格热导率功率因子

Sb掺杂Mg2Si基热电材料的制备及性能优化研究

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

Sb掺杂Mg2Si基热电材料的制备及性能优化研究

作者：郭婉莹陕西理工大学

学位级别：硕士

热电能源转换技术由于能实现热能与电能之间的直接转换,在应对气候变化和能源短缺等环境问题方面扮演着关键角色。热电材料性能的优劣直接影响材料的热电转换效率,一般用热电优值（ZT）来衡量材料的热电性能。优化材料的ZT值一般通过调... 详细信息

热电能源转换技术由于能实现热能与电能之间的直接转换,在应对气候变化和能源短缺等环境问题方面扮演着关键角色。热电材料性能的优劣直接影响材料的热电转换效率,一般用热电优值（ZT）来衡量材料的热电性能。优化材料的ZT值一般通过调控材料的电导率、泽贝克系数和热导率来实现,但这三个关键参数之间具有强耦合性,为提升ZT值带来重大挑战。MgSi基热电材料由于原料储量丰富、绿色环保、质量轻、热稳定性好,作为热电材料具有很大的应用潜力。因此,本文以MgSi基材料为研究对象,采用高压烧结和放电等离子烧结（SPS）技术探索了提升块体MgSi基材料热电性能的制备方法,并通过Si/Sn固溶、Sb元素掺杂、高压相变和沉淀优化了MgSi基材料的热电性能。分别采用两步高压合成、高压烧结及SPS烧结技术,制备出Sb掺杂的MgSi基热电材料,对其微观结构与热电性能进行了分析。研究发现,高压环境有效的抑制了Mg的氧化或挥发,从而保证材料的化学计量比,同时高压环境和过量Mg元素促进间隙Mg缺陷的形成,有助于优化载流子浓度和声子散射。Sb掺杂和间隙Mg原子为基体提供电子,提高了样品的载流子浓度,优化了材料的电性能。SPS烧结的MgSiSb样品的功率因子得到显著提升,最高达到3300μWmK,同时晶格热导率大幅度降低,ZT值在900 K时达到1.02,优于高压烧结的样品（ZT值为0.9）。采用高压结合SPS烧结制备了MgSbTe热电材料,Te掺杂导致材料的电阻率下降。MgSbTe热电材料在773 K时功率因子为3290μWmK。MgSbTe热电材料高的功率因子和低的晶格热导率使得ZT值在873 K最高达到0.94。通过密度泛函理论研究了MgSn中本征点缺陷的形成,类施主间隙Mg缺陷在MgSn中为主要缺陷,和MgSn通常为n型导电一致,间隙Mg缺陷提高了MgSn材料的n型载流子浓度。利用B3LYP杂化泛函计算了MgSn的能带结构。常压和10 GPa两个压力条件下计算的MgSn的能带结构具有相似特征,均为间接带隙,价带最高点在G点,导带最低点在X点。价带最大值由G点处的双极简并带组成,离开G点分成轻带和重带。常压下MgSn的带隙为0.272 e V,10 GPa压力下的MgSn的带隙为0.59e V,表明压力增加使得MgSn带隙变宽,宽带隙能抑制双极扩散效应,导带在一定程度上收敛,有利于材料的泽贝克系数的提升。费米能级附近的价带主要由Sn的p态组成,导带主要由Mg的s态组成,电荷由Mg转移到Sn。利用高压合成与SPS烧结技术制备了Sb掺杂的Mg(SiSn)材料。在MgSn材料固溶MgSi,引入点缺陷,由于Si原子和Sn的原子质量和半径的差异,引发了晶格位点的质量波动和晶格畸变,增强了对声子的散射。Sb掺杂增加了载流子浓度,这使得Mg(SiSn)Sb材料室温下的载流子浓度提升至3.1×10 cm。随着Sb掺杂含量的增加,材料的电导率大幅提升,功率因子也有明显提高。Mg(SiSn)Sb样品的高温区的功率因子稳定在4100μWmK以上,峰值在673 K时达到了4300 WmK。纳米尺度的组分偏析也可以强烈散射相应频率和波长的声子。与Sb掺杂的MgSi材料相比,Sb掺杂的Mg(SiSn)材料的热导率显著降低,在623 K时最低只有0.52 WmK。Mg(SiSn)Sb材料在823 K时的ZT值达到了1.48。在Mg(SiSn)Sb样品的基础上,采用相同方法进一步固溶MgPb制备了Mg(SiSnPb)Sb材料,在823 K时获得了ZT值为1.46。

关键词：热电材料 Mg2(Si,Sn)材料高压合成放电等离子烧结

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

GeTe基热电材料性能的调控与优化

GeTe基热电材料性能的调控与优化

作者：柳冠楠河北大学

学位级别：硕士

热电材料,作为一种新兴材料,其核心功能在于通过电子的传导以实现热能与电能之间的相互转换。GeTe因其优异的热电特性,目前成为研究领域的重点探索方向。本征GeTe存在较多Ge空位,载流子浓度较高,进而导致泽贝克系数低和热导率高,限制了... 详细信息

热电材料,作为一种新兴材料,其核心功能在于通过电子的传导以实现热能与电能之间的相互转换。GeTe因其优异的热电特性,目前成为研究领域的重点探索方向。本征GeTe存在较多Ge空位,载流子浓度较高,进而导致泽贝克系数低和热导率高,限制了其热电性能。本文主要通过化合物固溶的方式来降低载流子浓度以实现GeTe基热电材料性能的优化,研究了MnSb2Te4、MnBi2Te4固溶及MnBi2Te4和Pb Te共同固溶对GeTe电热输运性能的影响,获得了以下研究结果:对GeTe-x（MnSb2Te4）体系的研究表明:MnSb2Te4固溶一方面可以降低载流子浓度,另一方面也提高了GeTe晶体结构的对称性,有利于态密度有效质量的增加而提高了泽贝克系数,进而优化其电输运性能。引入点缺陷散射也能增强对声子散射作用而降低晶格热导率。在高温区随着固溶MnSb2Te4含量的升高,会在一定程度上抑制双极扩散效应,降低晶格热导率,在宽温度范围内实现GeTe基热电材料的高性能。最终,GeTe-0.06（MnSb2Te4）样品平均ZT(ZTavg)从纯GeTe样品的0.39提升到0.97,大约提升了148%。对GeTe-x（MnBi2Te4）体系的研究表明:MnBi2Te4固溶与MnSb2Te4固溶类似,一方面可以降低载流子浓度,使得载流子浓度向最优载流子浓度方向移动;另一方面促进样品的晶体结构从低对称的r-GeTe转变为高对称的c-GeTe,提高了GeTe晶体结构的对称性,有利于态密度有效质量的增加而提高了泽贝克系数,进而优化其电输运性能。引入的点缺陷能对载热声子形成有效地散射而降低晶格热导率。最终,GeTe-0.04（MnBi2Te4）样品在723 K获得最高ZT值为1.76。对Ge1-xPbxTe-0.04（MnBi2Te4）体系的研究表明:Pb Te固溶可以有效调控载流子浓度,其中Ge0.9Pb0.1Te-0.04（MnBi2Te4）样品中达到最低的载流子浓度仅为1.2×1020 cm-3。同时,样品对称性提高使其具有更高的态密度有效质量,进而有利于其获得大的泽贝克系数。在样品中形成的纳米畴结构并且引入的点缺陷散射,可以在最大程度散射多种尺度声子,降低晶格热导率。在室温条件下,Ge0.84Pb0.16Te-0.04（MnBi2Te4）样品的热导率表现出较低的数值,仅为0.62 Wm-1K-1。最终,样品Ge0.84Pb0.16Te-0.04（MnBi2Te4）中的ZTavg高达1.53,同时此样品在573 K时达到这一系列样品ZT的最高值,ZT值为1.98。

关键词：热电材料 GeTe 固溶相结构电输运

磁性纳米掺杂TiNiSn基热电材料的制备与性能研究

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

磁性纳米掺杂TiNiSn基热电材料的制备与性能研究

作者：何俊松太原科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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%。

关键词： TiNiSn 热电材料熔融旋甩磁性掺杂 half-Heusler

PbSnGeTe3基热电材料的制备及其热电性能的研究

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

PbSnGeTe3基热电材料的制备及其热电性能的研究

作者：何平河北大学

学位级别：硕士

热电材料作为一种可以直接实现热能与电能相互转换的能源材料备受世界各国关注,本征低热导率的PbSnGeTe3基热电材料是一种有前景的热电材料之一,但其本征阳离子空位太多而具有过高的载流子浓度,限制了其热电性能。本文以PbSnGeTe3基热... 详细信息

热电材料作为一种可以直接实现热能与电能相互转换的能源材料备受世界各国关注,本征低热导率的PbSnGeTe3基热电材料是一种有前景的热电材料之一,但其本征阳离子空位太多而具有过高的载流子浓度,限制了其热电性能。本文以PbSnGeTe3基热电材料为研究对象,研究了掺杂和熵工程对其电热输运特性及其热电性能的影响,主要研究内容如下:1.研究了Te空位对PbSnGeTe3热电性能的影响。引入Te空位能降低PbSnGeTe3的载流子浓度,进而提高Seebeck系数,同时迁移率也有一定的升高,最终电输运性能有一定的提高。且PbSnGeTe2.97样品在300-773 K温度范围内,平均功率因子达到了1428.1μWm-1K-2相比于基体(1381.6μWm-1K-2)有一定的提升。Te空位对载流子浓度的调节幅度有限,限制了电输运性能的大幅提高。在热输运方面,Te空位的增加也让体系中的点缺陷增加,声子散射增强,晶格热导率降低。最终PbSnGeTe2.97样品在773 K时最大ZT达到了1.36且300-773 K之间的平均ZT达到了0.72。2.研究了In掺杂对PbSnGeTe3热电性能的影响。发现In掺杂一方面能增加态密度有效质量进而提高了Seebeck系数,另一方面能有效地降低PbSnGeTe3本征高载流子浓度且能调节至最优载流子浓度附近,进而实现电输运性能的优化。在热输运方面,由于掺杂也会让体系中声子散射增加,晶格热导率也有降低。最终,（Pb Sn Ge）0.99In0.03Te3样品在773 K时的最大ZT达到了1.39。在300-773 K,（Pb Sn Ge）0.9875In0.0375Te3样品的平均ZT达到了0.93,相比于基体（0.64）提升明显。3.通过AgSbSe2固溶的方式,研究了熵工程对PbSnGeTe3热电性能的影响。发现AgSbSe2固溶量x≥0.15即可形成高熵半导体,使得晶体结构的对称性提高而增加态密度有效质量,进而增加其Seebeck系数,最终优化电输运性能。热输运方面,形成高熵半导体后其晶格畸变严重,声子散射增强,晶格热导率大幅降低,因而具有更低的热导率。其中PbSnGeTe3-0.2（AgSbSe2）样品在室温的热导率为1.05 Wm-1K-1,相比于基体热导率(1.62 Wm-1K-1)也有明显地降低。最终在773 K时,PbSnGeTe3-0.05（AgSbSe2）样品最高ZT达到了1.41。在300-773 K之间PbSnGeTe3-0.2（AgSbSe2）样品的平均ZT达到了0.83,相比于基体（0.64）有一定地提升。4.通过AgSbTe2固溶的方式,研究了熵工程对PbSnGeTe3热电性能的影响。发现AgSbTe2固溶量x≥0.2以后即可形成高熵半导体,使得晶体结构的对称性提高而增加态密度有效质量,进而增加其Seebeck系数。同时,其态密度有效质量的增加也会使最优载流子浓度往高载流子浓度方向移动,AgSbTe2固溶也能将载流子浓度调节至最优载流子浓度附近,进而协同优化电输运性能。在300-773 K,PbSnGeTe3-0.2（AgSbTe2）样品平均功率因子为1639.2μWm-1K-2相比于基体平均功率因子(1381.6μWm-1K-2)有较高提升。在热输运方面,熵值增加带来的晶格畸变,使得声子散射增强,同时体系位错的出现使声子散射进一步增强,晶格热导率降低,因而具有更低的热导率。其中PbSnGeTe3-0.6（AgSbTe2）样品在室温的热导率为0.81 Wm-1K-1,相比于基体(1.62 Wm-1K-1)降低了50%。最终PbSnGeTe3-0.1（AgSbTe2）样品在773 K时最大ZT达到了1.43,PbSnGeTe3-0.4（AgSbTe2）样品在300-773 K之间的平均ZT达到了1.01相较于基体（0.64）提升显著。

关键词：热电材料熵工程 PbSnGeTe3 电输运热输运

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

铜硒基热电材料的制备与性能优化研究

铜硒基热电材料的制备与性能优化研究

作者：李戈亮曲阜师范大学

学位级别：硕士

在全球工业和经济快速发展的背景下,传统化石能源的过度开采和过度使用所带来的问题已日益严重:环境污染严重,保证能源供应的压力加大、资源约束矛盾尖锐等问题,因此找到一种能源利用率高、受环境影响低的绿色功能材料越来越重要。由于... 详细信息

在全球工业和经济快速发展的背景下,传统化石能源的过度开采和过度使用所带来的问题已日益严重:环境污染严重,保证能源供应的压力加大、资源约束矛盾尖锐等问题,因此找到一种能源利用率高、受环境影响低的绿色功能材料越来越重要。由于热电材料能够将电能与热能进行直接转化,因此在余热发电、绿色制冷等领域具有重要的应用前景,热电材料很快成为材料研究领域的热点之一。铜硒基热电材料成本低廉,无毒,加上铜硒基热电材料晶格结构独特,热电优值优良,在过去十年中很快成为热电材料中的新热点之一。真空熔炼-退火、机械合金/溶液合成+热压烧结/放电等离子烧结(SPS)、自蔓延/放电等离子烧结(SHS)等制备方法已广泛应用于铜硒基材料的制备,但是这些制备方法中许多都暴露出制备周期长,制备过程烦琐,成本高的弊端。高温高压制备为热电材料制备和热电性能调控提供了一种成本低、反应迅速、操作简易、设备新颖的实验方法。本文采用高温高压方法系统地开展了铜硒基热电材料的制备及其热电性能的优化研究工作。研究内容如下:1.合成条件对Cu2Se热电材料的性能调控。调控Cu2Se的合成压力与合成温度,分析探究了不同合成压力与不同合成温度对Cu2Se的晶体结构、微观形貌以及热电输运性质的影响。根据SEM测试图像可以看到很多尺寸约为100 nm～1 μm的纳米级别孔隙分布在Cu2Se晶粒的表面的现象,这些微观结构均有利于声子的散射,从而降低材料的晶格热导率,且随着合成压力的升高,5.5 GPa,1123 K合成的Cu2Se样品热导率最小,在823 K时为0.54 mW·m-1·K-1,相较于2GPa,1123K合成的样品,热导率在823K测试温度下降低了 33%。合成温度的升高会抑制铜空位的形成,5 GPa,1073 K合成的Cu2Se样品电学性质最好,功率因子在823 K时为0.89 mW·m-1·K-2,相较于5 GPa,1223 K合成的样品,功率因子在相同测试温度下升高了 61%。通过合成压力与合成温度的共同调控,Cu2Se样品在测试温度区间取得最高热电优值,在823 K时测得为1.2,最终确定了 Cu2Se的最优合成条件为5 GPa、1073 K。2.不同化学计量比对铜硒基热电材料的性能调控。通过调节铜硒原子比,来实现载流子迁移率与载流子浓度的共同调控。利用高温高压制备手段合成出了 Cu2+xSe(x=-0.025、0、0.025、0.05)化合物,载流子迁移率与载流子浓度均随着Cu占比的降低而出现升高,铜占比降低会促进铜空位的生成,塞贝克系数与电阻率均随着Cu占比降低而降低,Cu1.975Se样品的功率因子最高,在823 K时取得1.1 mW·m-1·K-2,比Cu2Se样品在相同测试温度下的功率因子高出23.6%。在电学参数优化方面,此工作提供了一个有效研究思路,为进一步探索性能的优化提供了一定的参考。3.铜硒基热电材料复合黑磷(BP)的热电性能探究。通过高温高压方法能够成功将二维结构的BP引入到Cu2Se基体中。随着黑磷复合量的升高,载流子迁移率一直升高,而载流子浓度则呈降低趋势,电阻率明显降低,复合1 wt.%BP之后的Cu2Se样品的功率因子最高,在773 K时可达1.07 mW·m-1·K-2,相较于纯相Cu2Se,电学性质在该温度下提升了 20%。在773 K时,Cu2Se+0.25wt.%BP的热电优值为1.26,在该温度下高于纯相Cu2Se样品获得的1.14,提高了 11%。结果表明,复合BP可以有效提升材料的电学性质,为探索高热电性质的Cu2Se热电材料奠定了一定的基础。

关键词：热电材料 Cu2Se 高温高压热导率黑磷

复合掺杂型方钴矿热电材料的高温高压制备和性能优化

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

复合掺杂型方钴矿热电材料的高温高压制备和性能优化

作者：陈亚奇吉林大学

学位级别：硕士

自工业革命以来,工业化成为社会发展的主题,人们逐渐意识到能源对人类生产生活的重要性,是社会发展的前进动力。在找寻可持续发展能源的路上,能实现能源直接转换的热电材料引起人们的关注。热电转换技术能通过能源的多级利用调整能源结... 详细信息

自工业革命以来,工业化成为社会发展的主题,人们逐渐意识到能源对人类生产生活的重要性,是社会发展的前进动力。在找寻可持续发展能源的路上,能实现能源直接转换的热电材料引起人们的关注。热电转换技术能通过能源的多级利用调整能源结构,更好地应对资源枯竭环境恶化等全球性问题。热电材料作为新型绿色功能型材料,在节能环保等领域具有广泛的应用前景。其中二元方钴矿（Co Sb3）本身电学性能十分优异,还具有原料便宜、无污染等多方面优势。Co Sb3具有特殊的笼状结构,在晶格2a位置存在两个较大的本征孔洞,能产生出类似“声子玻璃-电子晶体”的特殊效果,使其在众多热电材料中脱颖而出。为优化其热电性能,常常选择对方钴矿本征孔洞位置填充、晶体框架原子置换或晶粒之间引入纳米第二相复合等方式进行适当掺杂,以提升材料的热电性能。本论文在国产六面顶压机中通过高温高压手段合成了一系列方钴矿体系热电材料,制备了S填充、Te-Sn双置换型、S填充、Te置换基础上进行C60、CNTs、C复合型方钴矿热电材料。通过填充、置换、复合的手段,在维持或提升材料电学性能基础上对热导率进行优化,结合HPHT方法对材料热电性能实现调控并研究其变化规律。论文中通过设计不同的掺杂量和合成压力,探讨方钴矿热电材料的性能提升途径,拓宽了掺杂体系的研究范围。主要的研究内容如下:1.采用HPHT方法在1.0-3.0 GPa合成压力范围内,制备S填充Te-Sn双置换的方钴矿化合物SxCo4Sb11Te0.7Sn0.3（x=0、0.05、0.10、0.20）,合成时间30min。结合相关测试,分析了不同浓度的负电性S元素填充对材料热电性能的影响,得出S作为负电性元素,填充后会小幅度影响材料的电学性能,但其引起的特殊共振散射对热学性能有显著优化。Te-Sn的双置换使材料的半导体类型从P型转化为N型,在改善电学性能的基础上,增加材料内部缺陷,综合提升热电性能。通过相结构表征,表明S元素的填充能提高Te的置换上限,侧面说明S元素的成功填充。最终S0.05Co4Sb11Te0.7Sn0.3样品在773 K下有最大z T值为1.26。2.设计并通过HPHT方法制备了一系列S填充Te置换为基础富勒烯C60作为纳米第二相的方钴矿复合样品,合成压力范围1.0-3.0 GPa。系统研究了不同第二相复合量对材料的相结构、微观形貌、载流子浓度、迁移率、热电性能以及维氏硬度的影响。研究合成样品的相结构,少量C60掺杂时未检测到其他杂相,掺杂量为x=0.20时检测出C60的杂相。微观形貌的研究结果表明,应用HPHT方法合成的复合样品能实现纳米第二相较为均匀的分布。C60热导率较低,作为第二相复合后能显著改善材料的热导率,热电性能的测试结果表明C60复合引入的大量晶界,结合高压以及填充、置换掺杂方式,与基体材料相比实现晶格热导率的降低达到37,最终材料的热电性能实现整体性提升z T值达1.34,相较于未复合样品热电性能提升31。随C60复合量的增加样品的硬度逐渐增大,复合量为x=0.20的样品维氏硬度为7.01（1）GPa。3.继富勒烯C60的成功复合,尝试使用HPHT方法将更高维度的不同碳材料复合到方钴矿的晶粒之间,对材料的性能变化展开一系列讨论。对其相结构研究的结果表明,合成出的样品均表现出方钴矿的纯相,没有其他杂相生成。微观形貌结果显示合成过程的高压对材料晶粒尺寸影响显著。一维材料碳纳米管和三维材料鳞片石墨,作为纳米第二相复合在方钴矿样品的晶粒之间,对电学性能都有一定程度上的改善,但具有更好电学性能的碳纳米管对电学性能的优化更为显著。本论文采用HPHT方法在不同压力下进行复合掺杂型方钴矿材料的合成实验,对实验样品热电性能的相关参数展开讨论。结果表明,将压力这一能显著调控材料性能的因素引入到样品的合成过程中,与多种掺杂方式结合,实现对材料热电性能的改善。高温高压制备技术在合成掺杂型笼化物方面的独特优势,为方钴矿体系热电材料的性能进一步提升以及在实际生活中的应用开辟了道路。

关键词：高温高压热电材料方钴矿复合掺杂