作者:江耘 周炜 来源:科技日报 发布时间:2018/3/28 9:56:44
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铌钴锑合金真正成分“曝光” 有望成星际旅行新材料

 

铌钴锑合金(NbCoSb)曾是一种身份不明的合金材料,它“外表”是金属的,而“个性”更像半导体。因为有望成为新一代高温热电材料,许多科学家都尝试过合成纯的1∶1∶1的铌钴锑,可至今没人成功过。

近日,浙江大学材料科学与工程学院朱铁军教授的实验室,制成了高纯度的铌钴锑合金。实验还证明,稳定的铌钴锑合金,不属于标称的19电子体系金属,而是自带“缺陷”的18电子体系半导体,是正宗的半导体热电材料。这为科学家寻找新的热电材料拓展了方向。

可以说,热电材料无处不在。日常生活中的酒柜、饮水机、车载冰箱等能够安安静静工作,就是靠一块热电材料实现保温保冷。

热电材料的另一个应用场景,是温差发电。在旷远持久的星际旅行中,外太空探测器无法得到阳光的补给,必须自带“干粮”——核能电池。放射性同位素自然衰变产生热,借助于热电材料,实现温差发电。

“温差发电或许是深空探测目前唯一的供能方案。”朱铁军说,“热电材料特别适合搜集移动的、分散的能量,比如将汽车排气管的余热转换为电能,相当于一个小型的移动电厂。”

因为小型、静音、零损耗等优点,全世界科学家都在寻找性能优良的热电材料,以适应多种工作环境。

但全世界一直做不出高纯度的铌钴锑合金。“是技术还达不到?还是本身就不存在这种比例的合金?”朱铁军和全球科学家们一起试图寻找答案。

此前,美国加州理工学院Jeff Snyder教授课题组进行了大量理论演算,认为比例为0.8∶1∶1的18电子铌钴锑更稳定。之后,Snyder联系到朱铁军,提出在浙江大学通过实验探究疑问。

朱铁军的实验室里,有一台先进的磁悬浮熔炼仪器。它利用磁场产生涡流,一边将金属原料融化并悬浮于容器中,一边持续“搅拌”,以达到最大程度的均质混合。

利用这台仪器,博士生夏凯阳得到了高纯度的铌钴锑。经过测试,这种高纯度材料的热电优值(ZT)为0.9。

“虽然0.9的数值在热电材料中并不算突出,但这足以让我们感到兴奋!”朱铁军说,“我们终于知道,铌钴锑原来是一种阳离子缺位的18电子体系,而不是19电子体系。”

“这有点像我们玩的抽积木游戏。”朱铁军从微观结构解释这种现象,“在0.8∶1∶1的铌钴锑材料中,有原子缺位了。就像抽掉了一根积木,它依然还是稳定的正方体结构。”

这项研究给科学家寻找新的热电材料打开了视野,并有望为未来外太空探测器提供发电的新材料。

朱铁军的论文《具有本征Nb空位的18电子铌钴锑半赫斯勒化合物中增强的热电性能》发表于《先进功能材料》杂志。

(科技日报杭州3月27日电)

 
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