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Mg2Si1-xSnx是一类适用于中温域的热电材料,具有环境友好、资源丰富等优点,受到科学家的广泛关注。已有的研究表明,对Mg2Si1-xSnx固溶体掺杂可以有效的改善其热电性能,目前的研究主要集中在单相Mg2Si1-xSnx(x=0,0.2,0.4,0.5,0.6,0.8)固溶体的制备及其掺杂上。尚未有对Mg2Si0.3Sn0.7进行系统的掺杂研究。低维化是提高材料热电性能的有效途径之一。微观组织结构的低维化尤其是纳米化,可以增强对声子的散射作用,显著降低材料的热导率,从而提高材料的热电性能。
本文采用低温固相反应法结合放电等离子烧结技术(SPS),制备出了单相的Mg2Si0.3-xSn0.7Sbx(0≤X≤0.015)和Mg2Si0.3-xSn0.7Bix(0≤X≤0.015)固溶体,XRD物相检测所有的固溶体均为单相,SEM结果显示,Sb掺杂的固溶体颗粒大小在15μm左右,而Bi掺杂的试样颗粒大小在15μm-25μm左右。利用阿基米德排水法测得所有块体材料的致密度均大于99％q。
测试Sb和Bi不同掺杂量试样的电导率,热导率和Seebeck系数,结果表明;Sb和Bi元素的引入,可以有效的改善原固溶体的热电性能,尤其是材料的电导率,掺杂元素的浓度对热电性能的影响十分明显。对于掺杂Sb的试样Mg2Si0.3-xSn0.7Sbx,当x=0.0075时,固溶体在590K具有最高的ZT值0.80;对于掺杂Bi的试样Mg2Si0.3-xSn0.7Bix,当x=0.015,温度达到722K时,样品具有最高的ZT值0.78。Mg2Si0.3-xSn0.7Bix材料的功率因子,随掺杂量的增多而增大。功率因子决定材料的电学性能,这说明Bi的掺杂,可以有效的改善Mg2Si0.3Sn0.7的电学性能。Mg2Si0.3-xSn0.7Sbx和Mg2Si0.3-xSn0.7Bix的热导率均随温度的升高先减小后增大,先减小的原因是Sb和Bi原子取代了原固溶体里面的Si原子,他们原子质量和原子尺寸的差别,造成晶格畸变,从而增强了晶体对声子的散射,所以热导率降低。后来热导率升高的原因是随着掺杂浓度的提高,电子热导率随温度的升高而增大,使材料的热导率明显增大。
本文用球磨法探索了Mg2Si1-xSnx(x=0.6,0.7)的微细化。首先采用低温固相反应法,制备出了单相的Mg2Si0.3Sn0.7和Mg2Si0.4Sn0.6固溶体微米粉末,用玛瑙研磨将粉末粒径预磨至50μm左右。通过对球磨工艺进行初步的探索后,采用WC材质的球磨罐和硬质球,选取370r/min的转速,以正己烷为球磨介质,20;1的球料比,在行星球磨机上球磨30h,可以得到粒径在5μm左右的Mg2Si0.3Sn0.7粉体;球磨30h,可以得到粒径在4-6μm左右的Mg2Si0.4Sn0.6粉体。延长球磨时间至40h,XRD的测试结果表明,二者氧化加剧,且均发生分相。进一步分析发现,40h分相产生的是Mg2Si。可能是具有极高表面能的颗粒在球磨高速撞击中,固溶体发生脱溶分解,生成金属间化合物Mg2Si,分解产生Sn元素和Mg元素,其中Mg原子被氧化成MgO,导致MgO含量的升高。延长Mg2Si0.3Sn0.7球磨时间至80h,分峰杂乱无章,可能是颗粒细化后的Mg2Si与Sn又结合成Mg2Si1-xSnx,颗粒的随机性导致x值的不确定。因此,球磨法研究此体系的低维化具有局限性。