Cu-Ni基合金的微结构设计、热电性能优化及强化机制研究

Over the past decades, in spite of the substantial improvements on thermoelectric materials system, theory and performance, low energy conversion efficiency and poor service performance of thermoelectric materials limit its commercial application. In this proposal, we will prepare high-performance Cu-Ni based bulk thermoelectric material with a composite structure composing of nano-scale deformation twins and second phases by a melting-solidification-thermomechanical treatment. The first principle, Boltzmann transport theroy and phase diagram data are used to choosedoping element and optimize its content, and design composition of Cu-Ni based alloys. The effects of doping and process parameters on the microstructures (including point defects, dislocations, grain boundaries, twins, second phases, texture, and so on ) are investigated to reveal the thermoelectric trasport mechanism and strengthening mechanism of Cu-Ni based alloys. As a result, a relationship between the process of melting, solidification deformation and heat treatment, microstructure, thermoelectric performance and mechanical properties will be contructed, and a prototype for preparing low-cost and high-performance bulk thermoelectric materials in a large scale will be provided. This project will provide a new route and theoretical foundation for the development of nanostructured thermoelectric alloys preparing by a melting-solidification-thermomechanical treatment.

热电材料历经几十年的发展，在材料体系、热电理论和性能方面取得了长足的进步，但由于热电材料能量转换效率仍较低以及服役性能较差严重限制了其在工业上的应用。本项目拟采用熔化-凝固-热机械加工技术制备微观组织可控的纳米孪晶束/颗粒复合的高性能Cu-Ni基合金块体热电材料，基于密度泛函第一性原理、玻尔兹曼传输理论和基础的相图数据优选Cu-Ni基合金的掺杂元素种类和含量，设计合金成分，研究掺杂和工艺参数对熔化、凝固、变形和热处理过程中微结构（包括点缺陷、位错、晶界、孪晶、第二相析出和织构化等）的影响规律，揭示掺杂和工艺参数影响Cu-Ni基合金热电输运和强韧化机制的本质，建立热电材料“熔化、凝固、变形和热处理工艺-微结构-热电性能-机械性能”间关联响应机理，构建低成本、大规模和高性能的块体热电材料制造技术原型，为熔化-凝固-热机械加工技术制备纳米复合热电合金材料提供新思路和理论基础。

本项目按计划完成了既定的研究任务和目标，主要研究内容如下：1）Cu56Ni42Mn2热电合金的制备与组织调控；2）Cu56Ni42Mn2合金热电性能和力学性能研究；3）Zr掺杂Cu-Ni-Mn基合金热电材料制备工艺探索与组织结构分析；4）Zr掺杂Cu-Ni-Mn基合金热电材料热电性能和力学性能研究。在本项目的支持下，取得了系列成果。已成功通过熔炼-凝固-低温轧制-热处理的热机械加工工艺制备出成分均一的Cu-Ni-Mn基合金热电材料，在未掺杂样品中获得了包含纳米孪晶的微观结构，在Zr掺杂样品中获得了纳米孪晶和纳米析出相共存的复合结构。研究了Zr掺杂、铸态、低温冷轧及低温冷轧+时效工艺对Cu-Ni基合金热电性能的作用机理和强韧化机制，并成功开创了适用于工业应用的低成本、大规模和高性能的块体热电材料制造技术原型。目前我们正在开发短流程连续铸轧方法和系统，力争实现直接使用原材料连续生产Cu-Ni基热电合金电偶对的制备加工平台。在项目执行期间，项目负责人共参加学术会议11次，做分会邀请报告6次，口头报告1次。项目负责人先后入选“长江学者奖励计划”青年学者、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才和大连市青年科技之星等。先后被聘为中国材料研究学会凝固科学与技术分会理事，《Materials Research Letters》青年编委、《稀有金属（中、英文版）》青年编委、《特种铸造及有色合金》首届青年编委等。在该项目的支持下，共培养博士后1人，博士毕业生4人，硕士毕业生6人。1人获博士后创新人才支持计划，1人获“博士学术之星”， 4人获得国家奖学金， 3人获得优秀博士学位论文特别奖学金，9人获优秀毕业生，包括省级3人次。在该项目的支持下，共发表SCI期刊论文26篇，国内期刊论文4篇，JCR一区21篇。其中，发表在材料领域顶级期刊Nano Energy 1篇、Journal of Materials Chemistry A 1篇、Materials Today Physics 1篇、ACS Applied Materials & Interfaces 1篇、 Corrosion Science 2篇， IF>10论文3篇、IF>8论文8篇、IF>5论文17篇；授权国家发明专利23项，授权国际专利2项。