NbFeSb基高熵半哈斯勒合金热电性能研究

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熵体现了体系的混乱度,熵值越大,混乱度越大。降低热电材料的热导率是提升材料热电性能的有效手段,体系的混乱度越大,声子的散射将会增强。本文从熵与热传导的关系出发,结合高熵合金的设计思路,在half-Heusler热电材料NbFeSb的Nb位引入多组元产生高配置熵,研究高熵效应对材料热电性能的影响;进一步研究在Fe位掺杂Co、Sb位掺Sn对材料结构与性能的影响。论文通过电弧熔炼结合高温熔炼制备铸锭,研磨后利用放电等离子体烧结形成致密块状样品。对样品的结构、组织及热电性能进行详细研究,得出以下结果。(1)在Nb位分别掺入10 at.%的Ti、V、Zr、Mo,研究了各掺杂元素对NbFeSb热电性能的影响。结果表明,Zr或Ti掺杂保持NbFeSb的p型导电行为。其中掺杂Zr使功率因子的优化效果最为明显,但对晶格热导率特别是高温下的晶格热导率的降低效果较差。Ti对功率因子的优化及晶格热导率的降低效应均较明显。Mo或V掺杂均使NbFeSb转变为n型导电,功率因子大幅度降低。但V掺杂能有效降低晶格热导率,873K时为4.8 W/mK。功率因子的提升归因于载流子浓度的增加,而晶格热导率的降低和掺杂元素与Nb原子的质量及大小差异有关。(2)采用等比例四元素M(M=Zr0.25Mo0.25V0.25Ti0.25)掺杂,制备了MxNb1-xFeSb(x=0,0.15,0.20,0.25,0.30,0.40)系列样品。结果分析表明,M掺杂增加了体系的载流子浓度,使功率因子优化至5040μW/mK2(x=0.25,473 K);高配置熵效应及质量起伏效应使样品室温热导率从16.1 W/mK降至8.4 W/mK,873 K时从6.2 W/mK降至4.1 W/mK,晶格热导率降至3 W/m/K,约下降50%,获得最大热电优值0.78(x=0.3,873 K)。(3)进一步增加Hf元素进行等比例五元素T(T=Zr0.2Mo0.2V0.2Ti0.2Hf0.2)掺杂,制备了TxNb1-xFeSb(x=0,0.1,0.15,0.2,0.25,0.30,0.40)系列样品。结果分析表明,Hf的加入进一步降低了电阻率,最大功率因子可达6500μW/m K2(x=0.1,473 K)。同时进一步降低了晶格热导率,最低值为2.5 W/mK(x=0.4,873 K),并在873K时获得0.88(x=0.2)的最大ZT值。(4)Co对T0.25Nb0.75Fe1-x-x CoxSb的掺杂使电阻率上升,Seebeck系数下降,同时晶格热导率上升,热电性能劣化。Sn掺杂对T0.25Nb0.75FeSb1-xSnx掺杂增加了载流子浓度,优化了功率因子,使功率因子增大到5540μW·m-1·K-2,同时,总热导率及晶格热导率有一定的降低。在掺杂量为0.05,温度为873 K时,热电优值达到了0.85,比未掺杂Sn的样品在此温度下的0.71增大了0.14,升高幅度为19.7%。(5)从配置熵的增加对材料热导率的降低效果来看,二者呈现正相关关系。但随着多元素掺杂量的增加,配置熵增加到一定量后,对热导率的降低作用显得越来越弱,这可能与多元素掺杂增加配置熵的同时对晶格振动熵亦存在影响有关。在NbFeSb体系中,掺杂元素引起的质量波动效应对热导的降低有明显作用。多元素掺杂还会引起体系载流子迁率率的降低,对导电性能的提升起阻碍作用。所以不能仅增加配置熵来提升热电材料的性能。热电性能最佳的多元素掺杂量远低于等比例元素混合达到最大配置熵时的值。
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