自蔓延高温合成β-FeSi2热电材料的研究

β-FeSi2是能够实现热能和电能互相转换的热电及光电材料且能够在500℃以上的高温区工作，如用于汽车发动机余热及尾气的废热发电，可为汽车提供辅助电源，缓解日趋严重的能源危机和环境污染，然而该材料的制备较为困难。最近的研究表明，自蔓延合成工艺可制备该材料，但必须先进行数小时的高能球磨，不能凸显自蔓延合成工艺的优势。本项目计划①对Fe-Si粉末压坯进行燃烧波淬熄实验，借助各种表征手段了解不同淬熄区域的物相及形貌特征，认识其自蔓延反应机理；②在掌握Fe-Si自蔓延合成过程的基础上，调整助燃剂添加量来促成自蔓延工艺合成出α-Fe2Si5，该合成产物呈高活性、亚稳的非平衡结构，随后采用热处理工艺可促其转变为β-FeSi2，总结出制备β-FeSi2的最佳工艺参数，实现自蔓延结合热处理高效、快速、便捷地制备β-FeSi2的研究目标；③研究掺杂Cu、Co、B、Al和不同硅含量对β-FeSi2产率的影响。

项目以能够实现热能和电能互相转换的热电材料β-FeSi2为研究对象，采用工艺简单、节能、瞬间完成反应过程的自蔓延合成工艺研究Fe-Si间反应以制备该材料。燃烧波淬熄实验发现，当Fe、Si和KNO3混合粉末压坯被点燃，燃烧波迅速在试样中传播，KNO3分解释放出大量的热能，使得熔点相对较低的Si先熔化并在试样中蔓流，同时细小的Fe粉向熔融的Si中溶解、扩散。熔融的Si和Fe充分接触，随着液态扩散的不断进行，浓度达到饱和时，就会有Fe-Si共晶颗粒析出。这种先由Fe与Si熔体的扩散反应而引发的共晶胚核的形成和长大符合溶解-扩散-析出机制。自蔓延合成工艺研究发现，KNO3能够诱导铁硅金属化合物的生成，不同掺量的KNO3所对应的自蔓延合成产物呈现不同的相组织，随着KNO3掺量的逐步增大，合成产物中α-Fe2Si5的量也同步增大，掺量在40%的时候，自蔓延合成产物中，α-Fe2Si5相明显提高，伴有ε-FeSi存在，但始终没有β-FeSi2生成。为促成α-Fe2Si5向β-FeSi2的转变，对自蔓延合成产物随即进行热处理。热处理实验表明，不同掺量KNO3的Fe-Si自蔓延合成产物在真空退火炉中，经过880℃、2h的退火处理，可使α-FeSi2全部转变为β-FeSi2，但仍有ε-FeSi存在。KNO3的掺量在整个工艺中占有十分重要的地位，不仅影响合成产物α-Fe2Si5的含量，同时间接影响着热处理后β-FeSi2相的含量。元素掺杂实验表明，单元素掺杂能够有效地提高自蔓延合成产物中α-Fe2Si5相的含量，但仍有杂相ε-FeSi存在，甚至在经过热处理之后杂相ε-FeSi依然存在；而Mn、Cu元素双掺杂经自蔓延合成可制备出单相的α-Fe2Si5，能够消除ε-FeSi杂相，这为后续经热处理将α-Fe2Si5相完全转变为单相β-FeSi2奠定了基础。.本项目共计发表相关的学术论文10篇，均为期刊论文且由研究生为第一作者撰写。其中，EI已收录5篇，有2篇为已录用论文，亦为EI源刊，有待收录，还有核心期刊论文1篇。此外，申请国家发明专利2项；项目资助期间共计培养毕业研究生8人。