P型Bi2Te3基贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的制備及性能表征

秦兆慧，王義偉，解曉顏

(哈爾濱師范大學(xué))

P型Bi2Te3基贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的制備及性能表征

秦兆慧，王義偉，解曉顏

(哈爾濱師范大學(xué))

通過機(jī)械球磨熱壓法制備P型Bi2Te3基贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料.掃描電鏡、X射線衍射分析和Seebeck系數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)械球磨100 h后碳纖維的柱狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，部分碳纖維與贗三元材料化合；Seebeck系數(shù)測(cè)試結(jié)果表明碳纖維摻雜對(duì)P型Bi2Te3基贗三元熱電材料的溫差電動(dòng)勢(shì)沒有影響.

P型Bi2Te3基贗三元熱電材料；機(jī)械合金化；微觀結(jié)構(gòu)

0 引言

熱電材料也叫溫差電材料，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱、電能量相互轉(zhuǎn)換的功能材料[1-4],熱電器件因?yàn)榫哂泻芏嗒?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如無移動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無噪聲、無污染、安全不失效等，在少數(shù)尖端科技領(lǐng)域已經(jīng)獲得了較為成功的應(yīng)用[5].熱電材料的效率用熱電優(yōu)值ZT表征，熱電材料的熱電優(yōu)值越大則其熱電性能越好.在室溫下就目前嚴(yán)峻的世界環(huán)境問題，要努力致力于研究出具有高熱電優(yōu)值的熱電材料.

Bi2Te3及其固溶體合金是研究最早且目前發(fā)展比較成熟，在室溫下熱電優(yōu)值在趨近于1左右[6],因在室溫附近具有較高的熱電優(yōu)值，其而被選為最廣泛的熱電材料，主要應(yīng)用于制冷器.哈爾濱師范大學(xué)的胡建民等學(xué)者采用機(jī)械合金冷壓燒結(jié)法制備出P型贗三元 (Sb2Te3-Bi2Te3-Sb2Se3)熱電材料，并得出樣品在室溫下的熱電性能隨著燒結(jié)溫度的升高而不斷提升[7].楊威采用熔煉-粉碎冷壓燒結(jié)法制備了摻雜碳纖維含量不同的N型贗三元熱電合金粉末，對(duì)其熱電性能的測(cè)試得到樣品的機(jī)械性能得到顯著增大.李理采用單質(zhì)熔煉化合摻雜熱壓燒結(jié)法制備出N型贗三元碳纖維摻雜Bi2Te3復(fù)合塊體材料，并得出在300 ℃為低溫區(qū)最佳燒結(jié)溫度.

1 實(shí)驗(yàn)方法

該實(shí)驗(yàn)取純度均為99.99%的Te，Bi，Sb，Se 4種單質(zhì)，按照0.1%的質(zhì)量比摻入長(zhǎng)度約為0.2～0.4 mm的碳纖維.該次機(jī)械球磨化所采用的球磨儀器為南京大學(xué)出產(chǎn)的QM-1SP4-CL行星球磨機(jī)，選用球磨機(jī)型號(hào)銘牌為Y90L-4.按照球料比為10∶1將4種單質(zhì)與碳纖維的混合物裝入球磨罐中，經(jīng)過100 h的球磨制備出P型Bi2Te3基贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料，再通過熱壓的方法制備出P型Bi2Te3基贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料塊體進(jìn)行性能測(cè)試.

該實(shí)驗(yàn)采用的Seebeck系數(shù)α的測(cè)試為本實(shí)驗(yàn)室自行搭建的實(shí)驗(yàn)儀器[8].該實(shí)驗(yàn)使用的X-射線衍射儀為日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/max-2600/PC對(duì)樣品進(jìn)行XRD的測(cè)試，在經(jīng)過觀察XRD測(cè)試的圖譜可以分析已知物相結(jié)構(gòu)的微小變化.本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察的手段是通過SEM，本實(shí)驗(yàn)采用的掃描電鏡為日本日立公司制造的S-4800/350型掃描電子顯微鏡.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

如圖1所示，a為經(jīng)過球磨100 h后的P型Bi2Te3基贗三元碳纖維復(fù)合熱電材料，b為熔煉區(qū)熔法200 ℃熱壓后的XRD照片.從XRD掃描照片中，可以清楚的觀察到樣品材料在經(jīng)過100 h的球磨后，原本在熔煉區(qū)熔法200 ℃熱壓后的XRD照片中的碳峰(標(biāo)示為C)已經(jīng)消失.

如圖2所示為P型Bi2Te3基碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料經(jīng)過100 h機(jī)械球磨后的SEM照片.從經(jīng)過SEM后的照片下(a)可以觀察到，當(dāng)摻雜碳纖維的含量為0.1%后的P型Bi2Te3基碳纖維復(fù)合熱電材料在經(jīng)過100 h球磨后，在贗三元熱電材料的表面上并未發(fā)現(xiàn)明顯的碳纖維材料.從(b)、(d)的照片下，雖然可以看見細(xì)小的碳纖維的存在，但是此時(shí)的碳纖維經(jīng)過100 h的球磨后被撞擊、沖擊成很細(xì)碎的碳纖維，此時(shí)的碳纖維的柱狀結(jié)構(gòu)被破壞，很難讓碳纖維在贗三元熱電材料中起到一個(gè)支架與橋梁的作用，對(duì)載流子的傳輸并沒有起到一個(gè)很好的作用.因此在提高贗三元熱電材料的熱電優(yōu)值上并不會(huì)做出貢獻(xiàn).這點(diǎn)與XRD分析結(jié)果一致.

圖1 贗三元熱電材料XRD照片(a:100 h球磨，b：熔煉-區(qū)熔)

(a) 2000倍下的SEM照片 (b) 10000倍下的SEM照片

(c)5000倍下的SEM照片 (d) 2000倍下的SEM照片圖2 機(jī)械合金化100 h后SEM照片

熔煉P型Bi2Te3冷壓塊體材料的Seebeck系數(shù)為2.06×10-4VK-1[9],機(jī)械球磨200 ℃熱壓的制備的P型Bi2Te3基碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的Seebeck系數(shù)測(cè)試的結(jié)果為2.07875×10-4VK-1，機(jī)械球磨化熱壓制備的樣品已可以表現(xiàn)出熱電性能.可以證明在經(jīng)過100 h的機(jī)械球磨后原料顆粒已經(jīng)合金化為Bi2Te3基贗三元固溶體合金粉末.

3 結(jié)束語

該文采用機(jī)械球磨化熱壓法制備P型Bi2Te3基碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料，通過SEM和XRD的分析材料的微觀結(jié)構(gòu)，并測(cè)試其溫差電動(dòng)勢(shì).研究結(jié)果表明，經(jīng)過100 h球磨后，P型Bi2Te3基碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的碳纖維的柱狀纖維結(jié)構(gòu)被破壞，部分碳纖維與贗三元熱電材料化合，與機(jī)械合金冷壓材料相比材料的Seebeck系數(shù)并沒有產(chǎn)生明顯影響.

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Abstract:In this paper,P-type Bi2Te3-based pseudo-ternary carbon fiber doped composite thermoelectric materials were prepared by mechanical alloying and hot pressing.Observation of the structural microstructure and analysis of the microstructure test,it showed that after 100 h mechanical ball milling leaded the structure of carbon fiber damaged.The test Seebeck coefficient showed the carbon fiber doping has no effect on the temperature electromotive force of P - type Bi2Te3- based pseudo - ternary materials.

Keywords:P-type Bi2Te3-based pseudo-ternary thermoelectric mat erials; mechanical ball mill; microstructure

(責(zé)任編輯：李家云)

PreparationandCharacterizationofP-typeBi2Te3-basedPseudo-ternaryCarbonFiberDopedCompositeThermoelectricMaterials

Qin Zhaohui,Wang Yiwei,Xie Xiaoyan

(Harbin Normal University)

O472+7

A

1000-5617(2017)02-0046-03

2017-01-18