黄如楷

[摘 要]文章以p型Bi2Te3/Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12结构梯度热电材料为研究对象，分析了这种热电材料在不同热处理时间中的界面稳定性，并对其平均Seebeck系数、电阻、输出功率进行了表征计算。

[关键词]梯度热电材料；界面；稳定性；表征

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0142-01

1.前言

在材料科学领域，为了提高热电材料的性能，引入了梯度的概念。结构梯度化可以使热电材料的性能与使用温度匹配到最佳状态。同时，还有望大幅度提高热电系统的转换效率。当前，国内外对于梯度热电材料的研究起步较晚，并且在研究过程中发现了许多新的问题，这使得梯度材料的研究尚未广泛地展开。

2.梯度热电材料界面稳定性解析

通过对p型Bi2Te3/Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12结构梯度热电材料在573K温度时进行长期热处理，观察在此条件下界面物相组成、显微结构、化学成分、抗折强度等界面稳定特性，并分析其随热处理时间的变化特征和规律。可分析出如下结果：

（1）随573K温度热处理时间的增加，热电材料界面的孔洞随之增多，但不同热处理时间样品中均无明显裂纹，这种现象表明这种梯度过渡层界面结构可以缓解热处理过程中界面处的热应力。

（2）对热电材料过渡层的XRD分析结果显示，虽然其热处理时间不同，但p型热电材料过渡层的主晶相不变，没有新物相生成。

（3）其线扫描及EDS分析数据表明，随着热处理时间的增加，样品中Sb元素的扩散程度略有增加。

（4）在对其进行的力学性能测试表明，随着热处理时间的增加，界面的抗折强度降低，这与热处理过程中界面处的元素扩散和挥发有关。热处理10天后其界面的抗折强度会有所降低，但仍然能够满足器件使用的要求。

3.p型Bi2Te3/Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12梯度热电材料的性能表征

当结构梯度Bi2Te3/Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12热电材料热端和冷端的温度分别设置为800K和300K时，分析得出其最佳的界面温度约为500K，选用均质材料Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12为6mm时，对应的Bi2Te3的长度约为2.2mm。

3.1 材料平均Seebeck系数的表征计算

梯度结构热电材料的平均Seebeck系数在较宽的温度范围内具有较高的数值，几乎为一个恒定的数值。

3.2 材料电阻的表征计算

材料的电阻率与材料的长度之间的关系。这里我们作如下的假设：

1、在结构梯度热电内部，温度均质材料内部是线性分布的。也就是说均质材料当中长度和温度的关系满足T=al+b（其中a，b为常数）。

2、热量在从高温端向低温端传递的过程中，在材料内部的热流是均匀的，材料的内部没有横向温度的差异。在均质材料的界面结合处，不存在附加的阻抗（附加热阻和电阻）。

3.3材料输出功率表征与计算

2种均质材料Bi2Te3和Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12及结构梯度FGTM的功率因子与温度的关系：均质材料Bi2Te3的功率因子随着温度增加急剧下降；Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12的功率因子随温度增加变化比较缓慢；相比于均质材料，其功率因子随温度变化不大，且在较宽的温度区间内保持较高的值。

从计算得出，理论上梯度结构化可以使整体材料的功率因子在较宽温度范围内具有较大的值，且变化不大，从而可以提高梯度材料整体的转换效率。

因为Bi2Te3只有室温至的温度范围才具有较好的性能，当温度过高时，其热电性能较差；而且由于其熔点也相对较低，不适合在高温下使用，因此本研究中只对其在300K至500K功率输出进行考察。由电学的知识可知，对于不同的材料，输出功率的最大值应当现在当外接负载和材料的内阻具有相同数值的时候。

根据Bi2Te3和Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12和FGTM最大输出功率计算，得出其相应的最大转换效率分别为8.76、5.88和13.5。相对于单体Bi2Te3和Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12均质材料，结构梯度化后，其转换效率分别提高了54%和130%。

实验得出，在外界负载为0.1Ω时，梯度结构热电材料的输出功率约为118mW，大约是Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12均质材料乃在相同条件下功率输出25mW的4.1倍。这说明，宽温区的热电材料既发挥了Bi2Te3均质材料在低温端的优势，同时也提高了高温端热电材料的热电性能。

梯度结构热电材料Bi2Te3/Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12在热端温度为800K时计算获得内阻的值大约为0.005Ω，所以其最大的功率输出应当出现在外界负载为0.005Ω左右时，而对于结构梯度热电材料其最大功率输出出现在当外界负载介于0.01至0.05之间的位置，其原因主要可能是由于梯度结构热电材料由于均质材料Bi2Te3和Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12在界面结合处以及在测试的过程中材料和电极之间焊接部分的附加电阻所带来的影响。

4.结语

二元梯度结构热电材料Bi2Te3/Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12，的表现Seebeck系数在较大的温度范围内表现出较高的数值，理论最大转换效率为13.5，在外界负载为0.1Ω时的功率输出约为118mW，大约为均质材料Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12功率输出29mW的4.1倍。在相同的条件下，梯度结构热电材料的输出功率相对于各均质材料都有较大程度的提高。

参考文献

[1] 王焜.p型Bi2Te3/CeyFexCo（4-x）Sb12梯度热电材料的设计、制备和性能研究[D].武汉理工大学，2006.

[2] 黃元辉.Bi2Te3/CoSb3宽温域热电材料界面热稳定性及其器件集成[D].武汉理工大学，2012.“宁夏师范学院科学研究基金资助”。