微波热压下共格/非共格内生纳米相的演化及对热电性能的影响

块体材料内纳微结构的优化对改善其热电性能具有关键作用。本项目采用微波热压烧结新工艺，利用微波对材料的特殊作用机理，结合非平衡态强制冷却手段，可控制备含共格/非共格内生纳米相的Bi2Te3系合金。研究Bi2Te3系合金中非共格同质、共格同质和共格异质内生纳米相的结构控制方法以及它们在微波热压下的演化机理，并探讨其微观结构与热电性能的关系，如微波诱导"弧光效应"所致内生纳米相（属非共格同质纳米相）的粒径和浓度、孪晶组织（属共格同质纳米相）的晶体取向和孪晶界、调幅组织（属共格异质纳米相）的调幅波长及成份起伏间的相界等对热电性能的影响。通过实施本项目，可望建立块体热电材料内纳微结构的控制新方法，在理论上揭示微波热压下Bi2Te3系合金中共格/非共格内生纳米相的形成机理及其对热电性能的影响规律，同时也可为开发高热电转换效率的热电材料和进一步实现热电材料的大规模应用奠定理论基础。

本项目以Bi2Te3系热电材料为研究对象，采用微波热压烧结新技术，利用微波对材料的特殊作用机理，研究微波热压下共格/非共格内生纳米相的形成机理，探索其微观结构与热电性能的关系。.通过优化微波热压烧结Bi2Te3系合金的烧结工艺，建立了微波热压烧结控制Bi2Te3系热电材料内纳微结构的新方法，探明了微波热压烧结工艺参数与材料热电性能的关系，获得了纳微结构可控的块体Bi2Te3系热电材料。研究表明，过短的烧结时间和较低的烧结温度无法形成有效烧结颈。随烧结温度升高，Bi2Te3系材料的晶粒尺寸从纳米级增加到了微米级，烧结体体积密度明显增加，相对密度最高可达98%以上，但过高的烧结温度会促进Bi2Te3系合金分解并导致具有高饱和蒸汽压的Te的挥发，在材料内形成孔隙，降低材料的体积密度。随烧结温度升高，Bi2Te3系体材料的电阻率、Seebeck系数以及热导率都表现出明显的变化规律，但过高的烧结温度形成的纳米孔隙会导致热电性能表现失常。另外，适宜的烧结时间是获得较优热电性能的关键因素，在理想烧结温度下，延长烧结时间至15min后材料的体积密度和晶粒尺寸等显微结构变化不明显，对材料的热电性能影响甚微。.微波诱导“弧光效应”所致粉末颗粒接触处能量集中和其周期性可以形成晶粒尺寸从几纳米到几十纳米的微小粒子；微波热压下的“体加热效应”，“非热效应”，以及“压力效应”所致塑性变形导致了孪晶组织的出现；Bi2Te3系固溶体在高温下分解为成分起伏的调幅组织，调幅波长约15~30nm。研究表明，孪晶组织（属共格同质内生纳米相）可有效提高材料的电导率，调幅组织（属共格异质内生纳米相）可有效降低材料的晶格热导率，“弧光效应”所致内生纳米相（属于非共格同质纳米相）可有效缓解电输运和热传输性能相互制约的矛盾。.本项目系列结果可为开发高热电转换效率的热电材料和进一步实现热电材料的大规模应用奠定基础。