Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)微波介电陶瓷的制备与表征

本研究分别用微量Zn^(2+)与Sn^(4+)取代Mg_(2)+与Ti^(4+),通过固相反应法制备了Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)微波介电陶瓷,并采用阿基米德法、XRD、SEM、EDS及网络分析仪等手段,分析了材料的基本物性和介电特性。基本物性分析结果表明,烧结温度、Zn掺杂量x、Sn掺杂量y等因素对Mg_(2)TiO_(4)的晶体结构无明显影响,烧结致密性随烧结温度的升高呈先增大后减小的趋势,其中在1300℃下烧结所得的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O_(4),烧结致密性最佳,达到98%。微波介电特性分析结果表明,Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)的介电常数εr与品质因数Q×f值,均随烧结温度的升高而呈先增大后减小的趋势,且其谐振频率温度系数τf具有较好的稳定性,其中在1300℃下烧结所得的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O4,εr≈15.55,Q×f≈319690GHz,此时τf≈-52.06×10^(-6)·℃^(-1)。与前人的研究结果比较后可知,本研究制备的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O_(4)不仅将烧结温度大幅下降至1300℃,还能将品质因子提升至319690GHz,使其微波介电性能得到有效改善。

Mg_(8)Sn_(4-x)M_(x)结构稳定性与弹性常数的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的CASTEP软件构建Mg_(8)Sn_(4-x)M_(x)(M=Al、Cu;x=0、1或2)晶体结构模型,采用第一性原理计算其晶格常数、结构稳定性和弹性常数,并分析不同量的M原子固溶于Mg_(2)Sn后体系的电子特性、弹性性能和本征硬度.计算结果表明,M原子能自发固溶于Mg_(2)Sn相,且所得Mg_(8)Sn_(4-x)M_(x)(x=1或2)晶体结构均可稳定存在;当2个M原子固溶于Mg_(2)Sn时,使其晶体结构由立方晶系转变为四方晶系.态密度分析表明,M原子固溶后体系原子存在明显轨道杂化现象,表现出较强的共价键,增加M原子固溶量不会改变各原子对态密度的贡献规律,但会提高该原子对电子对态密度的贡献度.弹性性能和本征硬度分析表明:Mg_(2)Sn中固溶M原子后,体系力学性能仍稳定,增加M原子固溶量,体系硬度逐渐降低,韧塑性不断提高,即M原子固溶量增加能提升体系的韧塑性.

含金属Mg相的Mg_(2)(Sn,Si)薄膜的微观结构与热电性能

利用高真空磁控溅射设备,采用Mg-Sn-Si合金靶材和纯Mg靶进行顺序沉积,在表面含有500 nm厚氧化硅的单晶Si(100)衬底上制备了不同Mg含量的Mg-Sn-Si薄膜。沉积Mg-Sn-Si薄膜的相组成、化学成分、表面和横截面形貌和热电性能被系统的测量、观察和分析。结果表明,制备的Mg-Sn-Si薄膜由Mg_(2)(Sn,Si)固溶体和金属Mg相组成。随着金属Mg相含量的增多,沉积薄膜载流子浓度升高,迁移率降低。沉积薄膜的电导率随着金属Mg相含量的增多而增大,而Seebeck系数降低。沉积薄膜的金属Mg相含量增加,虽然电导率增加,但因Seebeck系数急剧下降,最终导致功率因子下降。在所研究的金属Mg含量范围内,Mg_(2)(Sn,Si)固溶体薄膜含有部分金属Mg相,对提高复合薄膜的功率因子是不利的。

Mg_(3)Bi_(2)/Mg_(2)Sn纳米复合膜的微结构及热电性能

利用高真空磁控溅射技术,通过高纯Mg靶和自制Mg-Bi-Sn合金靶的顺序溅射沉积,制备了Mg_(3)Bi_(2)/Mg_(2)Sn纳米复合薄膜。沉积薄膜的晶体结构和相组成由X射线衍射(XRD)图谱确定,表面形貌和化学成分用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和能谱仪(EDS)进行观察、测量和分析。沉积薄膜的载流子浓度和迁移率通过霍尔实验获得,电导率和Seebeck系数由Seebeck/电阻测试分析系统进行测量。结果表明,沉积薄膜由Mg_(3)Bi_(2)和Mg_(2)Sn两相组成,随着薄膜中Mg_(2)Sn含量的增加,沉积薄膜的室温载流子浓度增加而迁移率下降。在整个测试温度范围内,随薄膜中Mg_(2)Sn含量的增加,薄膜Seebeck系数不断升高而电导率下降。Mg_(2)Sn相原子含量为28.22%的沉积薄膜在155℃获得最高功率因子为1.2 mW·m^(-1)·K^(-2)。在Mg_(3)Bi_(2)薄膜中加入适量的Mg_(2)Sn第二相,可明显提升Mg_(3)Bi_(2)薄膜材料的功率因子。

Mg_(2)Sn对镁合金耐腐蚀性能影响的计算分析与验证

目的 从计算角度分析镁合金中的主要析出相Mg_(2)Sn对ZA系镁合金耐蚀性能的影响,并采用试验测试的方法对其进行验证。方法 利用第一性原理计算方法对Mg_(2)Sn的表面能与功函数进行计算,通过与构建的Mg基体以及Zn、Al掺杂的Mg表面的表面能、功函数进行对比分析,分析Mg_(2)Sn对ZA系镁合金耐蚀性能的影响。为了验证计算结果,制备Mg-5Zn-3Al-0Sn合金以及Mg-5Zn-3Al-3Sn合金,通过电化学实验对2种合金的耐蚀性能进行对比分析,研究Mg_(2)Sn对ZA系镁合金耐蚀性能的影响。结果 计算了Mg基体表面能与功函数,与其他成果计算结果的符合程度较好。对Mg_(2)Sn不同表面的功函数进行计算,通过与Mg、Mg-Zn、Mg-Al表面的计算结果进行对比,发现Mg_(2)Sn的功函数均要更高。XRD测试结果表明,制备的Mg-5Zn-3Al-3Sn合金中有明显的Mg_(2)Sn相。电化学测试结果表明,Mg-5Zn-3Al-0Sn的耐蚀性能要好于Mg-5Zn-3Al-3Sn的耐蚀性能。结论 通过第一性原理计算发现,Mg_(2)Sn的功函数高于Mg基体表面的功函数,说明在合金中易发生微电偶腐蚀,Mg_(2)Sn充当阴极相促进Mg基体的腐蚀。电化学测试结果说明,当合金中存在明显的Mg_(2)Sn相时,合金的耐蚀性能降低,腐蚀电位达到-1.21 V。

Mg_(2)(Si,Sn)合金大尺寸试样低温固相反应法制备及其热电性能

Mg_(2)(Si,Sn)合金是一种受到广泛关注的中温区热电材料,具有成本低廉、环境友好等优点。Mg_(2)(Si,Sn)材料研究中非常重要的一环在于如何实现对Mg元素的精准控制,采用低温固相反应法可能是一种切实有效的方法。本研究通过低温固相反应法成功制备了高质量Mg_(2)(Si,Sn)合金试样,并将此方法应用至百克级Mg_(2)Si_(0.35)Sn_(0.635)Sb_(0.015)大尺寸试样的制备中,研究了大尺寸试样不同区域的热电性能及其均匀性。实验结果表明低温固相反应法能有效抑制Mg元素的挥发,实现对其较为精准的成分控制;制得的大尺寸试样的致密度沿压力方向存在规律性分布,越靠近试样中心材料致密度越高,相应地其组分含量和热电性能也随之变化。在640 K时,Mg_(2)Si_(0.35)Sn_(0.635)Sb_(0.015)大尺寸试样在所研究的不同区域最高zT值约为0.75,平均zT值达到0.66。

Mg_(2)Sn机械性质及热电输运性能的第一性原理计算

窄带隙半导体材料Mg_(2)Sn具有丰度大、密度低、无毒及环境友好等特点,是中低温热电材料的优秀候选者。本文基于密度泛函理论,结合不同形式的电子交换关联能系统分析了Mg_(2)Sn晶体的弹性系数、声子振动谱和电子能带结构,并基于非平衡玻尔兹曼输运理论计算了Mg_(2)Sn的热电性能。结果表明,GGA-PBE作为电子交换关联能可以很好地拟合立方相Mg_(2)Sn的力学性能(声子振动谱无虚频率),其体弹性模量为42.1 GPa且各向同性。同时,当工作温度高于300 K,Mg_(2)Sn的德拜温度开始趋于平缓且不高于315 K,表明Mg_(2)Sn在该温度区域内具有低声子热导率。使用B3LYP作为电子交换关联能可以估算Mg_(2)Sn费米能级附近的电子结构,发现价带顶附近存在三重简并态。同时计算结果表明,Mg_(2)Sn p型掺杂下的热电优值(ZT值)优于n型掺杂,可达1.05。本研究结果为进一步优化Mg_(2)Sn热电性能的研究提供借鉴。

Mg-Sn合金化与固溶-时效行为的研究现状

作为具备良好发展前景的可时效强化镁合金,Mg-Sn合金通过Mg_(2)Sn相析出强化、固溶强化与细晶强化获得了优异的性能。与Mg-Zn、Mg-Al主要镁合金相比,Sn在Mg中的固溶度较好,析出强化效果优异;另外,Mg_(2)Sn相的熔点高达771.5℃,使Mg-Sn合金成为非稀土系列的低成本耐热镁合金。从合金化、固溶−时效处理工艺分析总结了可时效强化Mg-Sn合金的研究进展,分析Mg-Sn合金时效行为的重要参数及其影响因素,主要目的为细化Mg_(2)Sn析出相或增加Mg_(2)Sn析出相数量;同时,对添加到Mg-Sn合金中的合金元素的固溶效果、细晶效果与形成三元强化相效果进行系统总结与分析,为Mg-Sn合金成分的设计和性能改善提供重要参考。

Al掺杂Mg/Mg_(2)Sn合金界面的第一性原理计算

为研究Mg-Sn合金中Al掺杂Mg基体与Mg_(2)Sn相不同取向以及Al元素在界面处的分布位置,基于密度泛函理论计算了Al元素掺杂Mg/Mg_(2)Sn不同指数面的界面黏附功、界面能以及界面掺杂能来寻找较稳定的掺杂位置。采用态密度和晶体轨道重叠布居分析了Al元素掺杂对Mg(0001)/Mg_(2)Sn(022)界面电子特性的影响。结果表明,界面处添加Al元素后只有部分掺杂位置有益于加强Mg/Mg_(2)Sn界面的稳定性。添加Al元素后,Mg(0001)/Mg_(2)Sn(001)界面处Sn端黏附功均高于Mg端,而Mg(0001)/Mg_(2)Sn(111)界面正好相反。Al掺杂后的Mg(0001)/Mg_(2)Sn(022)界面能降低了0.07 eV/nm。添加Al元素后,Mg(0001)/Mg_(2)Sn(022)界面位置Ⅳ比较容易掺杂,该位置处的电子结构分析表明掺杂Al元素后Al的s轨道和Sn的p轨道存在明显交互作用,在界面处Al—Sn键占主导地位。

层状结构富Mg的Mg_(2)Sn薄膜相组成与热电性能

利用高真空磁控溅射设备,通过顺序沉积制备富Mg的Mg_(2)Sn热电薄膜。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)研究了沉积薄膜的物相组成、表面和截面形貌、元素含量及分布。使用塞贝克(Seebeck)系数/电阻分析系统LSR-3测量了沉积薄膜的电阻率和Seebeck系数,进而研究不同Mg含量的Mg_(2)Sn薄膜的功率因子。结果表明,采用磁控溅射法可以制备出立方反萤石结构的Mg_(2)Sn相薄膜,XRD显示,沉积薄膜是由立方结构的Mg_(2)Sn相和少量的纳米尺寸的金属Mg相组成。随着Mg靶溅射时间的增加,纳米金属Mg相的含量增加,电阻率和Seebeck系数均表现为先升高后降低,这归因于少量纳米金属Mg相与基体相之间存在相界面。适量的金属Mg相存在于Mg_(2)Sn薄膜中,有利于提高Seebeck系数。含有适量纳米尺寸金属Mg相的Mg_(2)Sn沉积膜,因其Seebeck系数较高,电阻率适当,可获得较高的功率因子。层状结构的Mg_(2)Sn薄膜可显著提高Seebeck系数,尽管电阻率也增加,但最终使薄膜的功率因子显著提高。