Bi2Te3/纳米SiC材料的热电和力学性能研究

Bi2Te3/纳米SiC材料的热电和力学性能研究，裴延玲，赵博伦，为了改善Bi2Te3的热电和力学性能，本文采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结技术(SPS)制备出纳米SiC弥散分布的 SiC/Bi2Te3块体材料，随着SiC� 【Bi2Te3/纳米SiC材料的热电和力学性能研究】 Bi2Te3，全称为铋碲化物，是一种常见的热电材料，广泛应用于热电发电和制冷领域。热电材料的主要特性是能够利用温差直接进行电能与热能之间的转换，其性能由热电优值ZT来衡量，ZT越高，转换效率越好。然而，纯Bi2Te3材料存在一些限制，如电导率较低和力学性能不足，这限制了其实际应用。 该研究旨在通过添加纳米SiC颗粒来改善Bi2Te3的热电和力学性能。纳米SiC（碳化硅）是一种高强度、高硬度的陶瓷材料，它的引入可以增强基体材料的机械强度和热稳定性。研究中采用了机械合金化(MA)和放电等离子烧结技术(SPS)来制备SiC/Bi2Te3复合材料。机械合金化是一种粉末处理方法，通过反复研磨使不同材料的粉末混合均匀，达到微观结构的改性。放电等离子烧结则是一种快速固化的工艺，能在较低压力和较短时间内实现高密度的粉末材料烧结。 实验结果显示，随着SiC含量的增加，材料的致密度得以保持，但在不同的烧结温度下，材料的性能表现各异。在693 K的烧结温度下，含0.1% SiC的样品，其功率因子（衡量热电材料电输运性能的关键参数）从纯Bi2Te3的1.72×10^-3 Wm^-1K^-2提升至约2.0×10^-3 Wm^-1K^-2，提高了17.6%。这表明纳米SiC的添加有助于提高材料的电导率和Seebeck系数，从而提升功率因子。然而，当SiC含量增加到1.0%，烧结温度提高到733 K时，功率因子反而降低，原因是较高的烧结温度可能导致材料内部的施主缺陷减少，从而降低了电导率。 此外，研究还关注了材料的力学性能。实验数据显示，SiC/Bi2Te3复合材料的显微硬度从纯Bi2Te3的0.62 GPa显著提高到0.86 GPa，显示出SiC颗粒对基体材料硬度的显著增强作用。这种增强是由于纳米SiC颗粒的弥散强化效应，它们可以作为位错的障碍，提高材料的抗塑性变形能力。 综合考虑，通过调控烧结温度和纳米SiC颗粒的含量，可以优化Bi2Te3的电传输和力学性能。这种优化对于开发高性能的热电转换器件具有重要意义，特别是在航空航天、微电子和能源回收等领域，对于提高热电转换效率和设备可靠性具有实际应用价值。同时，这种研究也为设计和制备新型复合热电材料提供了理论指导和技术支持。 关键词：Bi2Te3，热电材料，机械合金化，放电等离子烧结，纳米SiC 总结来说，该研究通过在Bi2Te3中掺杂纳米SiC，结合机械合金化和放电等离子烧结技术，成功提升了材料的热电性能和力学强度。这一发现对于热电转换技术的进步和新材料的研发有着积极的推动作用。