碲化铋基热电材料的热喷涂织构化制备与性能研究

The textured bismuth telluride based thermoelectric (TE) materials with nanostructure will be prepared by a combined method with thermal spray and spark plasma sintering in this project. Thermal conductivity can be remarkably reduced through nanostructure induced by high cooling rate; meanwhile, electrical properties can be increased by the formation of texture. Therefore, performance improvement will be achieved as expected in bulk materials with microstructure combined nanostructure and texture. In this project, the formation mechanism of this coexisted microstructure and influence of preparation parameters on microstructure will be investigated carefully. The effect and mechanism of this special microstructure on electron and phonon transport properties will be primarily researched. The coordinated optimization of microstructure and TE transport properties will be achieved in this project. Finally, bulk TE materials with high performance and controllable preparation technology will be attained based on the understanding of all the mechanism. Bismuth telluride based TE materials possess great advantage and potentiality for power generating and cooling near room temperature. The implementation of this project is favorable to understand the relationship of microstructure and properties and develop a new way to control microstructure for other TE materials.

本项目以碲化铋基热电材料为研究对象，拟采用热喷涂结合放电等离子烧结工艺制备具有纳米结构的织构化块体材料。通过快速冷却引入的纳米结构可明显降低晶格热导率，而织构化微结构则有利于提高电输运性能，因此有望改善其整体热电性能。需要探索制备工艺参数对微结构的影响规律，解析微结构特征对电声输运行为的作用机理，进而达到对微结构和热电输运性能进行协同优化的目的，最终获得高性能块体热电材料并完善相关制备技术的可控性。碲化铋基热电材料在室温附近的热电发电和制冷均具有很大的潜力和优势，本课题的实施对进一步认识微结构与性能之间的关联以及开发调控微结构的新方法具有指导意义。

碲化铋基材料在室温到300度具有优异的热电性能，在低品质热发电、无人供电系统、精确控温、制冷等领域有着巨大的潜力。本课题以碲化铋基热电材料为研究对象，利用熔体热喷涂工艺制备纳米结构-织构复合微结构块体材料，协调优化纳米结构与择优取向对声、电输运性能的影响，以获得较高的热电性能。通过纳米相复合优化纳米结构碲化铋基材料的热电性能。将优化的熔体热喷涂工艺成功应用到碲化锗基热电材料体系，其热电性能亦获得大幅地提高。.课题实施过程中，课题组从熔体热喷涂新制备工艺和纳米相复合这两方面对碲化铋基热电材料进行性能优化。利用熔体热喷涂工艺可以获得纳米结构－织构复合微结构的碲化铋基热电材料，热喷涂技术的快速凝固过程可显著降低晶粒尺寸，而沉积过程存在的温度梯度可使晶粒具有一定的择优取向。通过协调优化晶粒尺寸和取向度对材料电子、声子输运的影响，提升材料热电优值。研究结果表明，利用熔体热喷涂工艺制备的P型碲化铋基材料，其热电优值可达1.4，而N型材料的热电优值为1.1，较原有材料有明显提升。通过制备不同元素掺杂和纳米复合相的碲化铋基块体，对掺杂、复合所引起的材料微结构及性能变化进行表征和分析。重点考察了不同纳米复合相对碲化铋基材料微结构、载流子、热传输的影响。研究结果表明，天然纳米材料D-ATP复合的P型BiSbTe材料的载流子和声子输运性能得到优化，其热电优值达到1.3，较区熔样品有显著提高。而In2Te3复合的N型热电材料热电性能同样获得较大提升。同时熔体热喷涂制备方法拓展至其他热电材料体系，所得块体材料具有多种纳米结构特征，其热电性能获得大幅地提高。项目执行过程中共发表文章6篇，其中SCI收录6篇，申请专利1项，其中1项已授权，以上结果基本达到考核指标。