N型赝三元热电材料掺杂碳纤维冷压烧结样品性能研究

杨 威

(哈尔滨师范大学)

0 引言

热电材料是一种能够将电能和热能直接转换的半导体材料，热电材料性能的参数为Z=α2σ/k［1］，其中α为材料的温差电动势率，即 Seebeck系数，σ为材料的电导率，k为材料的热导率，以Bi2Te3为基的热电材料ZT值约为1左右，是目前室温下热电性能最好的热电材料［2］，Bi2Te3基单晶材料具有各向异性［3］，热电性能研究及应用多集中于单晶或取向晶体材料.

采用冷压烧结法制备N型赝三元(Bi2Te32Sb2Te32Sb2Se3)掺杂碳纤维的热电材料，研究了碳纤维的掺杂量对材料热电性能和机械性能影响.

1 实验

按N型膺三元热电材料化学计量比称量Bi，Sb，Te和 Se单质，装入硬质玻璃管中在0.15 Pa压强下抽成真空，然后把玻璃管密封再放入电阻炉中熔炼［4］，将冷却的多晶铸锭碾碎成粒度分别80～30 μm的粉末.将各组粉末分别按质量百分比为 0.05%，0.1%，0.15%，0.2%装入冷压模具中保压30 min，本次冷压选择压强为440MPa，将冷压成型的材料放入真空管中在400℃温度下烧结6 h［5］，将冷压块体材料切割成小块体作为测试样品.分别测量Seebeck系数和电导率，热导率.

2 结果与讨论

2.1 温差电动势率变化

为使热电材料样品与测试电极之间导热良好，可在样品和电极之间涂一层导热硅脂.在温差ΔT≈20℃下，正反两个方向测量样品两端的电压，取其平均值U，求得热电材料样品的塞贝克系数.从图1中可以看出温差电动势率随浓度的增加而减小，其原因是在温度400℃，压强440 MPa时试样的密度比较大，微观结构中存在的散射因素减少［6］，使散射因子减小，降低了试样的Seebeck系数.

2.2 电导率的变化

从图2中可以看出，随着碳纤维掺杂浓度的增加，电导率呈现增大的趋势，这里有两个方面的原因，(1)在压强440 MPa，温度400℃时冷挤压试样具有更密实的结构，有助于载流子迁移率的提高，虽然这一温度烧结时原料的化学组分也有一定改变，减小了载流子浓度，但对电导率不明显.根据XRD的分析知道，温度400℃时烧结冷挤压试样的组分基本没有变化，且试样也较为密实，所以400℃烧结压强440 MPa时制备的试样具有较高的电导率.(2)本次实验选取的碳纤维的电导率要远大于热电材料的电导率，所以碳纤维浓度的增加，对整体材料的导电效果有很大影响，

图1 温差电动势率的变化

图2 电导率的变化

图3 热导率的变化

2.3 热导率的变化

从图3中可以看出热导率随碳纤维浓度的增大而增大，(1)载流子对材料的热导率起很大的作用，本次实验是在压强440 MPa，400℃烧结时材料具有较大的载流子浓度导致其载流子热导率较大，(2)碳纤维本身的热导率80 w/m·k-1.对材料的导热起很大影响作用.

2.4 样品的微观结构

图4 样品SEM扫描微观结构图

图5 样品中石灰纤维SEM扫描微观结构图

从图4中可看到大量的微小晶粒以及很多由微小晶粒组成的团聚，图中有些较大的颗粒是很多细小晶粒的聚合体.颗粒尺寸均匀，原子的迁移在烧结过程中加速了小晶粒的聚合［7］.图5 SEM照片是经过便面打磨处理过的样品，从中可以看到碳纤维分布在样品之中，横纵交替排列.像钢筋一样把样品聚集在一起，实际测验也表明，掺杂碳碳纤维的热电材料样品要比没有掺杂碳纤维的样品在机械性能上有很大提高，这就为材料在实际中的应用开创了新的探索途径，

3 结论

(1)在N型鹰三元热电材料中掺杂碳纤维冷压烧结制作的样品中，测试结果表明，随碳纤维掺杂浓度的提高，样品的电导率和热导率也随着提高，但是样品的温差电动势率降低.

(2)掺杂碳纤维冷压制作的样品中样品的机械性能有很大提高，从而为材料样品在实际生活中的应用打开了探索之路，也大大提高了材料的利用率，降低了材料在加工和切割制作器件过程中的损耗.

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［6］ 李将禄，张晓晔，赵秀平，等.赝三元热电烧结体材料制作技术的研究.人工晶体学报，1995，24(2):127-131.

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