激光燒結(jié)制備β-FeSi2熱電材料的研究.pdf

1、β-FeSi2基熱電材料具有穩(wěn)定、高抗氧化性、無毒性、價(jià)格低廉和原材料來源豐富等優(yōu)點(diǎn),是適合于在300K-1200K溫度范圍內(nèi)工作的熱電材料,其在溫差發(fā)電和熱電制冷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。β-FeSi2基熱電材料由于單相范圍窄,其制備一直都是一個難點(diǎn);本論文首次采用基于激光燒結(jié)和真空退火的方法制備了β-FeSi2基熱電材料,研究了不同的制備工藝對β-FeSi2相變行為、微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響。
　　(1)采用最大輸出功率為100

2、0W的YAG激光作為燒結(jié)熱源,控制光斑直徑大小為12mm,控制激光功率密度在103W/cm2以內(nèi),激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)均在自行設(shè)計(jì)的真空激光燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行。采用基于ANSYS的有限元方法模擬激光燒結(jié)場溫度分布,分別模擬了不同激光功率和燒結(jié)時(shí)間對溫度場分布的影響,模擬結(jié)果表明:激光功率為500W和燒結(jié)時(shí)間為80s左右是比較合適的燒結(jié)參數(shù);對比了采用光束均勻化裝置對燒結(jié)場溫度分布的影響,模擬結(jié)果表明:經(jīng)過均勻化后的激光燒結(jié)場溫度分布均勻,有利于試樣的

3、合金化和成分均勻化。
　　(2)研究了球磨工藝對合成FeSi2合金的影響,通過XRD測試和SEM分析得到的最佳球磨工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速250r/min,球料比20:1,球磨劑30％,球磨時(shí)間6h。研究了真空燒結(jié)爐燒結(jié)對FeSi2合金化的影響,結(jié)果表明:在1300℃溫度下燒結(jié)10h試樣完全合金化;隨后將真空燒結(jié)爐燒結(jié)的試樣采用激光二次燒結(jié)40s可以明顯改善其微觀組織結(jié)構(gòu),和傳統(tǒng)燒結(jié)對比試樣的晶粒度明顯細(xì)化,平均晶粒度為10μm;研究了采

4、用激光直接燒結(jié)法制備FeSi2合金,研究結(jié)果表明:激光直接燒結(jié)90s的試樣可完全實(shí)現(xiàn)合金化,通過SEM和EDS分析試樣中灰色基底為α-Fe2Si5,白色部分為γ-FeSi,黑色部分為孔隙和裂紋,試樣致密度約為93％,γ-FeSi晶粒大小在10μm左右,激光燒結(jié)過程為非平衡熱力學(xué)過程,激光燒結(jié)具有加熱速度快和冷卻速率高的特性,試樣凝固時(shí)液固界面快速推進(jìn),鐵硅原子長程擴(kuò)散被抑制使得組織晶粒來不及長大,可以細(xì)化晶粒。接著研究了退火溫度和退火時(shí)

5、間對合金β相變的影響,研究結(jié)果表明:激光直接燒結(jié)90s的試樣,在充滿氬氣保護(hù)的真空燒結(jié)爐內(nèi),在1073K下僅退火15小時(shí)就能完成β相的完全轉(zhuǎn)變,通過SEM測試可以看出退火后的試樣晶粒大小均勻、呈現(xiàn)六邊形結(jié)構(gòu),平均尺寸在5μm以下,試樣的致密度達(dá)到95％且均勻性較好,其最大室溫Seebeck系數(shù)可到115μV/K。最后研究了Cu元素添加對β相退火的影響,Cu添加可顯著提高β相轉(zhuǎn)變速率,僅需退火5h就可以完成β相轉(zhuǎn)變。
　　(3)研究

6、了Al元素?fù)诫s(P型)和Co元素?fù)诫s(N型)對β-FeSi2熱電性能的影響,采用基于激光燒結(jié)和真空退火的方法分別制備了FeAlxSi2-0.1at.％Cu(X=0.03、0.05、0.07)合金和Fe1-x CoxSi2-0.1at.％Cu(X=0.03、0.04、0.05)合金,研究結(jié)果表明:Al元素?fù)诫s濃度X=0.05的試樣整體電功率因子最高,電功率因子在500K時(shí)最大達(dá)到123.5μWm-1K-1;Co摻雜濃度X=0.05的試樣綜