Half-Heusler热电材料的中子辐照损伤研究

Due to its excellent properties, half-Heusler thermoelectric materials is expected to be used in radioisotope thermoelectric generator(RTG). Thermoelectric materials will be radiated by neutrons from 238PuO2 radioisotope heat unit when serving in RTG. To solve this problem, this project will study neutron irradiation damage of half-Heusler thermoelectric materials. We will investigate the effect of neutron irradiation from unclear reactor and 238PuO2 on thermoelectric properties of half-Heusler alloy, respectively. The change of microstructure and the mechanism of the neutron irradiation damage in half-Heusler alloy thermoelectric materials will be discovered. The anti-irradiation property of half-Heusler alloy will be improved by optimizing grain size and doping fraction. Model of thermoelectric properties as a function of irradiation time will be build for half-Heusler alloy to estimate the change of thermoelectric properties within a certain period of time. This project will provide theoretical basis and technical support for improving anti-irradiation property of thermoelectric materials.

Half-Heusler合金作为一种性能优异的新型热电材料有望用于放射性同位素温差电池（RTG）中。热电材料在RTG中服役期间将受到238PuO2放射性同位素热源的中子辐照。针对这一问题，本课题研究half-Heusler合金热电材料的中子辐照损伤。揭示反应堆内中子辐照及238PuO2原料辐照对half-Heusler合金微观组织结构和热电性能的影响规律及机理。通过优化晶粒尺寸和元素掺杂量提高half-Heusler合金的抗中子辐照能力。建立half-Heusler合金热电性能随辐照时间变化关系模型并估算预测服役时间内half-Heusler合金热电性能的变化。为提高热电材料的抗中子辐照能力提供理论依据和技术支持。

Half-Heusler和SiGe合金是性能最优异的中高温热电材料，它们在核电源中服役期间将受到热源或反应堆的中子辐照。针对这一问题，本项目研究了1013~1015n/cm2快中子辐照对Half-Heusler和SiGe合金热电性能的影响及原因。.研究发现，中子辐照后p-Half-Heusler和n-Half-Heusler合金中的元素被活化，发生了核素反应。1015 n/cm2中子辐照后， p型 Hf0.5Zr0.5CoSb0.85Sn0.15 和 p型Hf0.5Ti0.5CoSb0.85Sn0.15的载流子浓度降低,电导率、功率因子和ZT值下降了7%~22%。773K~873K热处理后，p型 Half-Heusler合金的热电性能可恢复。1015 n/cm2中子辐照对n型Hf0.5Zr0.5NiSn0.985Sb0.015和n型ZrNiSn0.985Sb0.015合金的热电性能无影响。.将SiGe合金进行注量为1013~1015 n/cm2的中子辐照后，n型和p型SiGe合金中产生了大量的位移缺陷，因此，中子辐照后n型和p型SiGe合金的热电性能急剧降低。但是在一定的温度热处理后，SiGe合金的热电性能能够恢复。相比于p型SiGe，n型SiGe对中子辐照更加敏感。1015 n/cm2中子辐照后，n-SiGe的电导率、功率因子和ZT值分别降低至辐照前的0.014%, 5% 和 3.8%；而p- SiGe的电导率、功率因子和ZT值分别降低至辐照前的0.14%, 12% 和 5.2%。中子辐照后n- SiGe的热处理恢复温度也高于p-SiGe，n-SiGe和p-SiGe的热处理恢复温度分别是1273K和623K。伽马辐照对SiGe合金的输运特性没有影响。.此外，开展了SiGe热电材料制备工艺优化和器件有限元仿真分析。通过制备工艺优化发现，球磨合金化2小时结合放电等离子烧结制备的p型SiGe热电性能最佳，ZT可达到0.95@1000K。采用有限元分析优化了热电器件的冷端工作温度，在使用温度为热端1273K和冷端773K时，SiGe热电器件与散热片的系统功率密度最高。.以上研究结果可为RTG和空间堆温差电源的设计和研制，以及SiGe和Half-Heusler热电材料在放射性同位素温差电源或空间堆温差电源中的服役稳定性提供参考数据。