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神秘合金被中国科学家“验明正身”,有望成太空旅行新材料

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发表于 2018-6-14 14:31:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
铌钴锑合金(NbCoSb)

曾是一种身份不明的合金材料,

“外表”是金属的,

而“个性”更像半导体。

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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……

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图(a).NbCoSb试样抛光面的背散射电子像(BSE)照片中有明显的衬度变化,表明试样中存在大量的第二相或元素组成变化。图(b)-(e).Nb0.80CoSb试样腐蚀面的二次电子像(SEM)照片及X射线能谱元素分布图表明,在虽然Nb0.80CoSb中元素存在有大量的Nb缺量(空位),但试样中的各元素分布均匀,并没有发生明显偏析现象。 来源:课题组

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。它纠正了科研人员长久以来的一个认识误区——1:1:1的铌钴锑合金并不存在!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,一类正宗的半导体热电材料。

被误解多年的铌钴锑合金,终于回到半赫斯勒热电材料的大家族,同时,这为科学家寻找新的热电材料拓展了方向。

热电材料成为太空旅行的“干粮”

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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。

热电材料是一种能实现电能与热能相互转换的材料。在车载冰箱中,热电材料利用电流产生吸热效应,从而发挥保冷功能。

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旅行者号用的“核能电池”

热电材料的另一个应用场景,是温差发电。在旷远持久的太空旅行中,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,就能够实现温差发电。

“温差发电或许是深空探测目前唯一的供能方案,”从博士生时期到现在,朱铁军教授研究热电材料已经20年了,“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。半赫斯勒合金就是其中一类。

半赫斯勒合金的名字来自于19世纪的一位采矿工程师康拉德·赫斯勒。他偶然发现,将不含磁性的铜、锰和锡以2:1:1的比例制成合金,合金会产生磁性,命名为赫斯勒合金。而以1:1:1比例制成的合金,则称为半赫斯勒合金。

许多半赫斯勒合金具有半导体特性,表现出很好的热电性能,稳定性和机械性能突出,是优质的热电材料。“热电材料有不同的温度工作区间,我们的兴趣在于耐600℃以上高温的半赫斯勒材料。”朱铁军说。

做不出高纯铌钴锑,谁的错?

“为什么纯的1:1:1的铌钴锑合金做不出来?”

“是技术还达不到?还是本身就不存在这种比例的合金?”

朱铁军被一连串问题困扰着。在半赫斯勒合金家族中,有一条明晰的分界线,外层电子数18的合金能形成稳定的立方晶体结构,表现出半导体特性;而外层电子数是17或者19的,则为金属。热电材料都来自于18电子体系的半赫斯勒合金。例如锆镍锡,就是一种典型的18电子体系半赫斯勒合金。

根据元素周期表,1:1:1的铌钴锑合金的外层电子数为19,科学家将其标定为金属。但这种金属的“个性”却更趋向半导体。“它不像是一个简简单单的金属,热电性能要比一般金属好很多。”美国休斯顿大学任志峰教授课题组的一篇论文让朱铁军若有所悟。

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。由于在实验上他们无法制备0.8:1:1的铌钴锑,Snyder教授给朱铁军教授发来一封邮件,提出能否在浙大通过实验来进一步探究这个疑问。

验明正身:真18,假19

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朱铁军的实验室里,有一台先进的磁悬浮熔炼仪器。它就像一个磁场驱动的搅拌器,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。

X射线衍射结果让朱铁军的心中的谜团渐渐解开:果然不是1:1:1,而是0.8:1:1!经过测试,这种高纯度材料的热电优值(ZT)为0.9,远远高出了之前已经报道的0.4。“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了这种现象,“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新的视野。“所谓的19电子半赫斯勒化合物,有部分其实是阳离子缺位的18电子体系,通过调节点缺陷,我们可显著改善热电性能。” 朱铁军说。同时,该材料并有望成为未来外太空探测器发电的新材料。

该研究的相关论文“Enhanced Thermoelectric Performance in 18〦lectronNb0.8CoSb Half〩eusler Compound withIntrinsic Nb Vacancies(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Advanced Functional Materials(《先进功能材料》)杂志。

文中图片均来自网络

编辑:梁 伟

审核:王小龙
  
本文选自:今日头条
UFO中文网温馨提示:本文由网友采集编写,如果侵犯了您的版权,请联系管理员(邮箱:ufochn@foxmail.com)删除。
发表于 2018-6-14 14:32:17 | 显示全部楼层
这篇文章与其说是报道新闻还不如说是在公布数据!如此详尽的实验数据,为什么可以发表!这不等于共享了吗?!但愿不是我所说的这样!但保密意识必须加强!
发表于 2018-6-14 14:32:41 | 显示全部楼层
有一点小成果就恨不得昭告天下,这么重要的材料也不知道保密
发表于 2018-6-14 14:33:31 | 显示全部楼层
说那么清楚干嘛,科研就是不懂的再说也不懂,懂的一点就透,所以别说过程
发表于 2018-6-14 14:34:13 | 显示全部楼层
写得这么清楚,是不傻呀,让全世界看懂呗!有没有国家秘密呀?
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