激光作用下SnSe基热电材料组成、结构和性能的演化规律开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

工业革命以来,人类社会的生产力得到极大提高,经济规模迅速扩大,我们在创造出前所未有的财富的同时,也加剧了环境污染、生态破坏和资源稀缺等一系列人与自然的矛盾。正是在这样的大背景下,自然环境与人类社会之间的和谐共存、可持续发展逐渐得到全人类的共识。人类文明演化和经济社会发展离不开能源的支持,随着三大化石燃料煤、石油和天然气的大量消耗和逐渐枯竭,开发利用新型清洁能源以及改进现有能源技术从而避免生态和环境的进一步恶化已是大势所趋。据统计,人类工业活动中大约60%以上的能量以废热形式耗散到大气中。因此提高能源利用率同时开发新型能源技术用于回收利用废热越来越受到广泛重视。

固体热电材料是一种能够利用材料内部微观载流子输运来实现热能与电能之间直接相互转换的功能材料。采用热电材料制成的热电器件具有体积小、结构简单、无噪声、无移动部件、无污染、长寿命、稳定性高、易于维护等优点。由于可以实现热能与电能之间的可逆转换,热电器件在功率发电和固态制冷两个方向都有重要的应用价值。例如,在外太空一些太阳能暗淡的区域,采用热电装置提供电力是许多空间探测器得以正常运行的重要保障;民用方面,利用工厂废热以及汽车尾气余热进行热电发电等相关研究也正在进行中,部分成果已实际应用;在固态制冷方面,热电制冷器件已被广泛地应用于移动式环保冰箱、汽车座椅、电子芯片以及激光探测器等精密仪器的局部冷却。综上所述,热电材料及器件在军事、民用以及医疗等领域均展现着广阔的应用前景,进一步开发设计新型高效热电材料及器件对于促进其大规模应用将会有着重要的推动作用。
热电材料根据其应用领域可以被分为两类:一类可以被用于低温制冷,另一类主要作为功率发电应用。作为功率发电应用的热电材料按照工作温区又可以被分为中低温区热电材料和高温区热电材料。中低温区发电应用的热电材料的典型代表有PbTe、CoSb3基合金等,其最高热电优值可达1.5以上,但是由于部分元素具有毒性、材料的高温机械性能和热稳定较差等原因,其大规模的商业化应用具有诸多挑战。而高温区热电材料的最高热电优值尽管低于中温区热电材料,但是由于可以工作在更大的温度区间,因此也可以产生较大的转换效率。同时,由于高温热电材料具有较好的机械性能和热稳定性,这使得它们在大规模商业化应用上具有明朗前景。高温热电材料的典型代表是传统的SiGe合金以及近年来新开发的half-Heusler合金。尽管N型SiGe合金的最高热电优值可达1.0以上,但是P型SiGe合金的最高热电优值仅约为0.6,同时由于Ge元素价格昂贵,使得SiGe合金作为高温发电应用受到较大的阻碍。而half-Heusler热电材料作为近年来新开发的一类高温热电材料具有优异的电学和机械性能、热稳定性以及相对廉价的组成元素等优点,受到了国外内热电研究学者的广泛关注
综合国内外对于half-Heusler热电材料的研究现状来看,half-Heusler合金作为高温热电材料因其原料丰富、成本较为低廉、环境友好以及高温稳定性和机械性能好等显著优点吸引了越来越多的关注。当前N型MNiSn基half-Heusler热电材料的最高热电优值已经超过1,开发与之相匹配的高优值P型化合物是近年来half-Heusler热电材料研究的主要方向,也是设计组装高效half-Heusler热电器件的关键所在。本文将围绕新型FeNbSb基half-Heusler重带热电材料开展相关研究。P型FeNbSb作为典型的重带热电材料体系,理解其电子和声子输运特性对于设计新的性能优化策略具有重要指导意义。本课题拟以FeNbSb为研究对象,探索其适合的合成方法,并在制备出单相的基础上对材料的微观结构、物相和热电输运性质进行表征和分析,评估其热电应用潜力。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1基本内容
材料制备:采用高温自蔓延法获得kg级fenbsb热电材料粉体,采用选择性激光熔融技术制备fenbsb块体热电材料。


材料表征:对块体热电材料的微观结构和热电传输性能进行表征,通过xrd、sem、epma等表征手段对其形貌结构及元素构成进行了分析,并利用zem、lfa、hall测试仪、扫描seebeck系数测试仪等测试仪器对其热电性能进行了表征。


2.2研究目标
本课题拟从热电材料和器件的3d打印过程中材料和激光相互作用规律为出发点,研究激光作用下热电材料组成、结构和性能的演化规律,研究任务包括:
(1)文献调研,了解国内外相关研究概况和发展趋势;
(2)以fenbsb合金为研究对象,采用单质原料粉体出发,通过燃烧合成工艺制备合金材料,然后通过球磨控制其粒径分布;
(3)研究选择性激光熔融过程工艺参数(包括激光功率、激光扫描速率、激光扫描间距和扫描方式等)对最终热电材料化学组成、相组成、微观结构和热电传输性能的影响规律。

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3. 研究计划与安排

3.进度安排
第4-6周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。

明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备的操作。

确定技术方案,并完成开题报告。

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4. 参考文献(12篇以上)

4.阅读的参考文献不少于20篇(其中近五年外文文献不少于5篇)
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