粉末冶金法制备Si80Ge20B1.2合金及其热电性能

放射性同位素电池(Radioisotope thermoelectric generator,RTG)在深空探测中发挥着不可替代的作用。基于硅锗合金制备的温差发电器是RTG的核心部件,硅锗合金的热电性能对RTG的性能有重要影响。硅锗合金的热电性能和其制备工艺、杂质掺杂等因素密切相关,因此需要对其制备工艺研究与优化。本文采用熔炼和热压烧结制备了P型Si80Ge20B1.2合金,研究了热压烧结工艺参数(热压温度、热压压力、保温时间)对Si80Ge20B1.2合金密度的影响,对Si80Ge20B1.2合金进行了物相结构分析、微观组织分析,并对其热电性能进行了测试。结果表明:1703 K下熔炼2 h后硅和锗可以形成固溶体,热压烧结工艺参数中,热压温度对Si80Ge20B1.2合金密度影响更为明显;热压温度1523 K、热压压力60 MPa、保温时间为120 min时制备的Si80Ge20B1.2密度为2.99 g/cm3,达到其理论密度的99.7%,XRD和SEM分析表明,其结构致密,硅锗分布均匀;热压烧结制备的Si80Ge20B1.2有较低的热导率,在303 K^1073 K范围内,热导率介于2 W/(m·K)~3.2 W/(m·K)之间;Si80Ge20B1.2在1073 K时具备较佳的热电性能,在该温度下,其功率因子为1.76 mW/(m·K2),ZT值0.86。上述研究结果为RTG中温差发电器的研制提供了参考。

N型和P型Si_(80)Ge_(20)合金制备及热电性能

对N型Si80Ge20(P4)x及P型Si80Ge20Bx固溶体合金的化学计量比进行了研究,采用已总结出的最佳工艺条件,制备了一系列N型、P型固溶体合金,并比较了各系列样品的热电性能。结果表明,x=1.5的N型Si80Ge20(P4)x固溶体合金具备良好的热电性能,与未掺杂Si80Ge20固溶体合金相比,最高热电优值ZT为0.651,提高了3.34倍。x=1.5的P型Si80Ge20Bx固溶体合金也具备较佳的热电性能,最高热电优值(ZT)值为0.538。

一步热压法制备N型Si80Ge20及其热电性能

采用一步热压法制备了N型Si80Ge20Px(x=0.2、1.0、2.0),通过改变P掺杂优化载流子浓度,对样品进行物相分析与微观结构分析,测试并比较了样品在30~800℃下的热电参数。结果表明:一步热压法可实现硅锗固相反应合金化,制备的Si80Ge20结构致密、组分均匀;随着P掺杂增加,Si80Ge20Px的电导率增加,Seebeck系数降低,功率因子增加,热导率变化不明显,ZT值增加;在30~800℃,Si80Ge20P0.2的功率因子和ZT值随温度升高先增加后降低,在700℃达到最大值,Si80Ge20P1.0和Si80Ge20P2.0的功率因子和ZT值随温度升高而增加,其中Si80Ge20P2.0在800℃时功率因子为3.0 mW/(m·K2),ZT值0.78。该方法工艺简单,可精确控制P的掺杂,通过载流子浓度优化可获得性能较佳的N型Si80Ge20。

Si80Ge20P3合金的制备及其热电性能

采用熔炼和热压烧结制备了合金Si80Ge20P3,Si和Ge中添加P实现N型掺杂,熔炼实现Si和Ge合金化,热压烧结使合金Si80Ge20P3成型.对合金Si80Ge20P3进行XRD,SEM及EDS表征并进行电导率、Seebeck系数、热导率等热电参数测试.结果表明,制备的Si80Ge20P3结构致密、硅锗分布均匀,合金化完全,实现了杂质P的有效掺杂.Si80Ge20P3具有较佳的热电性能,热导率κ随温度升高而降低,在800℃时为2.6 W/(m·K),其功率因子PF和热电优值ZT随温度升高而增加,在800℃时ZT值达到1.06.

增强调制掺杂Si_(80)Ge_(20)基热电材料功率因子的研究

采用成熟工艺制备了N型、P型调制掺杂型Si80Ge20基固溶体合金及等化学计量比的均匀掺杂型Si80Ge20基固溶体合金,重点研究了两类固溶体合金的热电性能。结果表明:温度为773 K时,N型系列、P型系列,调制掺杂型固溶体合金较均匀掺杂型的功率因子分别提高了13.6%和49.2%,热电优值ZT分别提高了7.9%和12.9%。