楊 威

(哈爾濱師范大學)

0 引言

熱電材料是一種能夠?qū)㈦娔芎蜔崮苤苯愚D(zhuǎn)換的半導體材料，熱電材料性能的參數(shù)為Z=α2σ/k［1］，其中α為材料的溫差電動勢率，即 Seebeck系數(shù)，σ為材料的電導率，k為材料的熱導率，以Bi2Te3為基的熱電材料ZT值約為1左右，是目前室溫下熱電性能最好的熱電材料［2］，Bi2Te3基單晶材料具有各向異性［3］，熱電性能研究及應用多集中于單晶或取向晶體材料.

采用冷壓燒結(jié)法制備N型贗三元(Bi2Te32Sb2Te32Sb2Se3)摻雜碳纖維的熱電材料，研究了碳纖維的摻雜量對材料熱電性能和機械性能影響.

1 實驗

按N型膺三元熱電材料化學計量比稱量Bi，Sb，Te和 Se單質(zhì)，裝入硬質(zhì)玻璃管中在0.15 Pa壓強下抽成真空，然后把玻璃管密封再放入電阻爐中熔煉［4］，將冷卻的多晶鑄錠碾碎成粒度分別80～30 μm的粉末.將各組粉末分別按質(zhì)量百分比為 0.05%，0.1%，0.15%，0.2%裝入冷壓模具中保壓30 min，本次冷壓選擇壓強為440MPa，將冷壓成型的材料放入真空管中在400℃溫度下燒結(jié)6 h［5］，將冷壓塊體材料切割成小塊體作為測試樣品.分別測量Seebeck系數(shù)和電導率，熱導率.

2 結(jié)果與討論

2.1 溫差電動勢率變化

為使熱電材料樣品與測試電極之間導熱良好，可在樣品和電極之間涂一層導熱硅脂.在溫差ΔT≈20℃下，正反兩個方向測量樣品兩端的電壓，取其平均值U，求得熱電材料樣品的塞貝克系數(shù).從圖1中可以看出溫差電動勢率隨濃度的增加而減小，其原因是在溫度400℃，壓強440 MPa時試樣的密度比較大，微觀結(jié)構(gòu)中存在的散射因素減少［6］，使散射因子減小，降低了試樣的Seebeck系數(shù).

2.2 電導率的變化

從圖2中可以看出，隨著碳纖維摻雜濃度的增加，電導率呈現(xiàn)增大的趨勢，這里有兩個方面的原因，(1)在壓強440 MPa，溫度400℃時冷擠壓試樣具有更密實的結(jié)構(gòu)，有助于載流子遷移率的提高，雖然這一溫度燒結(jié)時原料的化學組分也有一定改變，減小了載流子濃度，但對電導率不明顯.根據(jù)XRD的分析知道，溫度400℃時燒結(jié)冷擠壓試樣的組分基本沒有變化，且試樣也較為密實，所以400℃燒結(jié)壓強440 MPa時制備的試樣具有較高的電導率.(2)本次實驗選取的碳纖維的電導率要遠大于熱電材料的電導率，所以碳纖維濃度的增加，對整體材料的導電效果有很大影響，

圖1 溫差電動勢率的變化

圖2 電導率的變化

圖3 熱導率的變化

2.3 熱導率的變化

從圖3中可以看出熱導率隨碳纖維濃度的增大而增大，(1)載流子對材料的熱導率起很大的作用，本次實驗是在壓強440 MPa，400℃燒結(jié)時材料具有較大的載流子濃度導致其載流子熱導率較大，(2)碳纖維本身的熱導率80 w/m·k-1.對材料的導熱起很大影響作用.

2.4 樣品的微觀結(jié)構(gòu)

圖4 樣品SEM掃描微觀結(jié)構(gòu)圖

圖5 樣品中石灰纖維SEM掃描微觀結(jié)構(gòu)圖

從圖4中可看到大量的微小晶粒以及很多由微小晶粒組成的團聚，圖中有些較大的顆粒是很多細小晶粒的聚合體.顆粒尺寸均勻，原子的遷移在燒結(jié)過程中加速了小晶粒的聚合［7］.圖5 SEM照片是經(jīng)過便面打磨處理過的樣品，從中可以看到碳纖維分布在樣品之中，橫縱交替排列.像鋼筋一樣把樣品聚集在一起，實際測驗也表明，摻雜碳碳纖維的熱電材料樣品要比沒有摻雜碳纖維的樣品在機械性能上有很大提高，這就為材料在實際中的應用開創(chuàng)了新的探索途徑，

3 結(jié)論

(1)在N型鷹三元熱電材料中摻雜碳纖維冷壓燒結(jié)制作的樣品中，測試結(jié)果表明，隨碳纖維摻雜濃度的提高，樣品的電導率和熱導率也隨著提高，但是樣品的溫差電動勢率降低.

(2)摻雜碳纖維冷壓制作的樣品中樣品的機械性能有很大提高，從而為材料樣品在實際生活中的應用打開了探索之路，也大大提高了材料的利用率，降低了材料在加工和切割制作器件過程中的損耗.

［1］ Yim W M，Rosi F D.Compound telluride and their alloys for peltier cooling—a review［J］.J Solid State Electron，1972，15:1121-1140.

［2］ Row D R.Handdook of Thermoelectrics［M］.CRC Press:BocaRaton，F(xiàn)L，1995.597.

［3］ Row D M［J］.Applied Energy，1986，24:139.

［4］ Seo J，Park K，Lee D，et al.Microstructure and thermoelectricpropertiesof P 2type Bi0.5Sb0.5Te0.5compounds fabricated by hotpressingand hot extrusion［J］.Script Mater，1998，38(3):477-484.

［5］ Seo J，Park K，Lee C.Fabricationand thermoelectricproperties of n2 type SbI32dopedBi2Te2.85Se0.15compounds by hot extrusion［J］.Materials Research Bulletin，1998，33(4):553-559.

［6］ 李將祿，張曉曄，趙秀平，等.贗三元熱電燒結(jié)體材料制作技術(shù)的研究.人工晶體學報，1995，24(2):127-131.

［7］ 榮劍英，趙洪安，呂長榮，等.大尺寸(Bi2Te3)0.90(Sb2Te3)0.05(Sb2Se3)0.05晶體的生長及性能.人工晶體學報，1997 ，26(3-4):311.