J Mater Sci (2013) 48:1940–1946DOI

J Mater Sci (2013) 48:1940–1946
DOI 10.1007/s10853-012-6959-0
as interesting candidates for the study of TE applications
by Nikini et al. [13], and these compounds demonstrated
improved ZT performance in intermediate temperature
range (400–800 K) [14, 15]. They are identified as nontoxic,
abundant in nature and less expensive materials as
compared to the state of the art conventional TE materials
like clathrates, chalcogenides, and skutterudites [16].
Magnesium Silicide (Mg2Si) is a narrow band gap semiconductor
(Eg * 0.3–0.6 eV), with low density (below
2 g/cm3) and high melting temperature (*1000 C) [17].
Mg2Si and its alloys consist of anti-fluorite crystal structure
with Si in FCC (face centered cubic) sites and Mg in tetrahedral
positions [18]. It was claimed by simulation in Zaitsev
et al. [19], that this type of TE materials can attain greater ZT
values because of high charge mobilities, containing large
effective masses and comparatively low lattice component of
thermal conductivity. For the past decades, this class of
materials has been under investigation for mid-to-high temperature
range of TE applications. Ball-milling technique is a
well-known method for brittle material production; but the
ductile characteristics and reactivity ofMgwith oxygenmake
this synthesis process a nontrivial route. [20].
There are, however, few reports on the synthesis parameters
and improved ball-milling methods to manufacture
nanocrytallineMg2Si powder [20–22].However optimization
of sintering parameters is required to obtain ideal densification
and microstructure. In this work, nanocrystalline Mg2Si
materials were prepared by ball-milling process and spark
plasma sintering (SPS) process was used for consolidation. In
particular, SPS consolidation parameters were investigated to
achieve the highest compaction density and conserve the
nanostructured grains in the sintered pellets, by studying different
temperature and holding time for SPS experiments.
Crystallite size and crystalline phase identification were performed
by XRD, SEM, and TEM techniques; detailed
microstructure analyses from the fractured surfaces of compacts
are presented.
Experimental methods
Powder processing
Magnesium Silicide (Mg2Si) powders were manufactured
from commercially available high purity magnesium silicide
pieces (99.99 %, Alfa Aesar). The raw materials were
ground under Argon (Ar) atmosphere in a planetary ball
mill (BM) with hexane as dispersion medium. BM process
was accomplished in 24 h with an optimized rotational
speed of 330 rpm. Afterward, the consolidation of Mg2Si
powder was achieved under Ar atmosphere using Dr Sinter
2050 Spark plasma sintering (SPS—imported from Sumitomo
Coal Mining Co., Tokyo, Japan) using a graphite die
with 15 mm inner diameter. A minimal amount of 2 g of
Mg2Si was loaded into the die for the sintering experiments.
Important SPS parameters such as the sintering
temperature and holding time were studied to achieve the
best compaction conditions for Mg2Si pellets. All the
samples were prepared at a constant heating rate of 100 C/
min, and constant applied pressure 8.8 kN. Two different
sintering temperatures at 750 and 850 C were used and
three various holding times as 0, 2, and 5 min were applied
to investigate their effect on density and grain size of
compacts.
Characterizations
The crystalline phases were identified by X-ray diffraction
(XRD) using a Philips X’pert pro super diffractometer with a
CuKa source (k = 1.5418A ° ) at operating voltage 40 kV and
applied current 40 mA. The Rietveld refinement of the XRD
profiles has been exploited to obtain information about phase
amounts, crystallite sizes, and lattice parameters [23]. Scanning
electron microscopy (SEM) and Energy-dispersive
X-ray analysis (EDX—at a standard working distance of 8 mm
and an accelerating voltage of 20 kV) were performed using
Zeiss Ultra 55 SEM system. Transmission electron microscopy
(TEM) was performed using a JEOL 2100F TEM, and
selected area electron diffraction (SAED) was also performed
to investigate structural homogeneity at particulate
level. TEM samples were prepared by dispersing a finite
amount ofMg2Si powder in ethanol and finally dropping the
solution onto a carbon coated grid. The thermal diffusivity
and the specific heat of the samples were measured by a laser
flash apparatus (Netzsch LFA 457 MicroFlash). The thermal
conductivity j was calculated according to the formula
j = aqCp where a is the thermal diffusivity, q is the density,
and Cp is the specific heat of the material. The Seebeck
coefficient (S) and the electrical resistivity (q) were measured
from RT up to 600 C using a custom test apparatus
described elsewhere. All measurements were carried out
under Ar atmosphere. Finally, the dimensionless figure of
merit was calculated using the equation; ZT ¼ S2T=qj.
Results and discussion
Synthesized nanocrystalline Mg2Si powder was sintered by
SPS technique, and the optimized compaction parameters
were identified via a series of experiments. The most significant
SPS parameters are sintering temperature, applied
pressure, heating rate and holding time. Sample IDs and the
SPS parameters utilized for the experiments are presented
in Table 1. The results shown in Table 1 can be used to
explain the effect of these critical parameters on the
compaction density and the crystallite size. Three different
sintering temperatures at 650, 750, and 850 C were
J Mater Sci (2013) 48:1940–1946 1941
123
selected for 5 min holding time for the first set of experiments.
The sample compacted at 650 C has achieved a
densification of only 85 %. The samples compacted at 750
and 850 C were further compacted for 2 and 0 min
holding time at respective temperatures.
Powder XRD analysis was performed to determine the
crystal phases: Fig. 1a–i presents several XRD patterns
from the as prepared and compacted Mg2Si nanopowder
and compacts obtained under different SPS parameters (as
detailed in Table 1). XRD pattern from pristine bulk Mg2Si
is shown in Fig. 1a and it confirms some contamination of
oxides and Si impurities. Figure 1b clearly shows after ball
milling Mg2Si has major crystalline phase, and it also
revealed that traces of MgO and Si phases are still present
in the ball-milled Mg2Si powder. The presence of MgO and
Si originate from raw starting materials and partly due to
the oxidation of Mg2Si during the BM process [24]. XRD
patterns from Mg2Si powder and compacted samples were
indexed using reference patterns for Mg2Si (JCPDS#
00-035-0773), MgO (JCPDS# 00-045-0946), and Si
(JCPDS# 04-001-7247). Figure 1c–i clearly show that the
peak intensity of free Si is reducing during the SPS processing.
It is also important to note that the XRD peaks of
BM Mg2Si powder are significantly broader as compared to
the sintered samples revealing the increase in crystallite
size of the compacted samples under sintering conditions.
The presence of MgO phase is detrimental for TE performance
of silicide, as reported by Fiameni et al. [25]. The
pristine materials contain about 6 % of the MgO phase as
reported in earlier works [25]. All the samples sintered at
750 C present lower MgO amounts (10 %) with respect to
the samples sintered at 850 C (in as much as approximately
19 %). Rietveld refinement was employed to estimate
the crystallite size and the average crystallite size is
reported in the range from 120 to 240 nm (See Table 1).
The geometrical (d = m/V) and theoretical density values
(Rietveld refinement) are reported in Table 1 for samples
sintered at 650, 750, and 850 C at different holding times.
All the samples indicate a density higher than 91 % with
the exception of the samples sintered at 650 C showing a
density lower than 80 %. For this reason, compacts at
650 C were not considered for the TE evaluation. XRD
results show that the crystallite size grew severely during
the consolidation, particularly for the sample sintered at
850 C for different holding time. Moreover, it also shows
more densification but compensated with a larger crystallite
size. Due to the high compaction density and lower
crystallite size, pellets compacted at 750 C, were considered
for further TE evaluations.
SEM micrographs obtained from the fabricated and SPS
compacted samples are shown in Fig. 2a–h. Micrograph of
as synthesized nanocrystalline Mg2Si, presented in Fig. 2a,
reveals irregular particle morphology and the presence of
Table 1 SPS parameters,
compaction densities, and
average crystallite size of Mg2Si
samples
a Could not achieve the
acquired densification, therefore
it was not considered for TE
evaluation
Sample id SPS parameters Geometrical
density
(g/cm3)
Theoretical
density
(g/cm3)
Compaction
density (%)
Average
crystallite
Temperature size (nm)
(oC)
Pressure
(kN)
Holding
time
(min)
MS_Asprepared
NA NA NA NA 2.06 NA 50
MS_01a 650 8.8 5 2.49 2.13 85.4 120
MS_02 750 8.8 5 2.38 2.19 91.5 150
MS_03 850 8.8 5 2.32 2.23 95.8 120
MS_04 750 8.8 2 2.28 2.19 96.2 150
MS_05 850 8.8 2 2.25 2.19 97.1 200
MS_06 750 8.8 0 2.19 2.13 97.2 240
MS_07 850 8.8 0 2.29 2.21 96.2 180
Fig. 1 Powder X-Ray Diffraction Patterns; a Pristine bulk Mg2Si; b
Synthesized nanocrystalline Mg2Si Powder, SPS sample; c *MS_01,
d MS_02, e MS_03, f MS_04, g MS_05, h MS_06, and i MS_07
1942 J Mater Sci (2013) 48:1940–1946
123
few small aggregates. In order to estimate the average grain
size, Image J software was used to measure the individual
particles (n[300). Most of the particles measured were in
the range of 100–400 nm while the average particle size is
estimated as 230 ± 30 nm. The wide distribution in the
primary particle size is due to different impact of ballmilling
process. Detailed chemical composition analysis,
performed by coupled EDX, results showed the presence of
excessive Mg, O, and Si elements; which supports the XRD
results in that the MgO and free Si phases are present in the
ball-milled Mg2Si powder.
Figure 2b–h show the detailed microstructural analy

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เจ Mater 48:1940 วิทยาศาสตร์วิศวกรรม (2013) – 1946ดอย 10.1007/s10853-012-6959-0เป็นผู้สนใจศึกษาประยุกต์ TEโดย Nikini et al. [13], และสารประกอบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าปรับปรุงประสิทธิภาพ ZT ในอุณหภูมิระดับกลางช่วง (400-800 K) [14, 15] มีระบุเป็น nontoxicมากมาย ในธรรมชาติ และน้อย กว่าวัสดุที่มีราคาแพงเป็นเมื่อเทียบกับวัสดุทันสมัยทั่วไปติเช่น clathrates, chalcogenides และ skutterudites [16]แมกนีเซียม Silicide (Mg2Si) เป็นสารกึ่งตัวนำช่องว่างที่แคบวง(เช่น * 0.3 – 0.6 eV), มีความหนาแน่นต่ำ (ด้านล่าง2 g/cm3) และอุณหภูมิสูงละลาย (* 1000 C) [17]Mg2Si และโลหะผสมประกอบด้วยโครงสร้างผลึกฟลูออไรท์ต่อต้านกับซีในอเมริกา FCC (หน้าแปลกลูกบาศก์) และ Mg ใน tetrahedralตำแหน่ง [18] ถูกอ้าง โดยจำลองใน Zaitseval. ร้อยเอ็ด [19], ชนิดของวัสดุ TE สามารถบรรลุค่า ZTค่าเนื่องจากค่าธรรมเนียมสูง mobilities ประกอบด้วยขนาดใหญ่มวลชนที่มีประสิทธิภาพและส่วนประกอบโครงตาข่ายประกอบต่ำดีอย่างหนึ่งของการนำความร้อน สำหรับทศวรรษ ชั้นนี้วัสดุที่ได้รับภายใต้การตรวจสอบสำหรับอุณหภูมิกลางสูงใช้งานช่วงติ เทคนิคหน้าลูกเป็นตัวรู้จักวิธีการผลิตวัสดุเปราะ แต่ลักษณะ ductile และเกิดปฏิกิริยา ofMgwith oxygenmakeการสังเคราะห์นี้ดำเนินการกระบวนการผลิต nontrivial [20]มี อย่างไรก็ตาม บางรายงานในพารามิเตอร์การสังเคราะห์และวิธีการปรับปรุงหน้าลูกจะผลิตผง nanocrytallineMg2Si [20-22] อย่างไรก็ตามการเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์การเผาผนึกจะต้องได้รับ densification เหมาะและต่อโครงสร้างจุลภาค ในงานนี้ nanocrystalline Mg2Siวัสดุเตรียมไว้ตามกระบวนการลูกบอลสีและประกายพลาสม่า (SPS) การเผาผนึกถูกใช้สำหรับการรวมบัญชี ในเฉพาะ SPS รวมพารามิเตอร์ถูกสอบสวนเพื่อให้ความหนาแน่นกระชับข้อมูลสูงสุด และประหยัดnanostructured ธัญพืชในเผาอัดเม็ด โดยศึกษาแตกต่างกันอุณหภูมิและการจับเวลาสำหรับการทดลอง SPSทำ crystallite ขนาดและรหัสเฟสผลึกด้วยเทคนิค XRD, SEM และยการ รายละเอียดต่อโครงสร้างจุลภาควิเคราะห์จากพื้นผิวของกระชับ fracturedมีแสดงวิธีการทดลองประมวลผงมีผลิตผงแมกนีเซียม Silicide (Mg2Si)จากบริสุทธิ์ใช้ได้ในเชิงพาณิชย์สูงแมกนีเซียม silicideชิ้น (99.99% อัลฟาโรเม Aesar) ดิบได้พื้นดินภายใต้บรรยากาศอาร์กอน (Ar) ลูกดาวเคราะห์มิลล์ (BM) ด้วยเฮกเซนเป็นสื่อกระจายตัว กระบวนการของ BMได้ดำเนินการใน 24 ชมกับการเพิ่มประสิทธิภาพในการหมุนความเร็ว 330 รอบต่อนาที หลังจากนั้น รวม Mg2Siผงสำเร็จภายใต้บรรยากาศ Ar ใช้ sinter ผ่าน Drเผาผนึก 2050 ประกายพลาสม่า (SPS ซึ่งนำเข้าจากซูมิโตโมะบริษัททำเหมืองแร่ถ่านหิน โตเกียว ญี่ปุ่น) ใช้ตายแกรไฟต์มี 15 มม.ภายในเส้นผ่าศูนย์กลาง น้อย 2 กรัมของMg2Si ถูกโหลดเป็นตายสำหรับทดลอง sinteringสำคัญ SPS พารามิเตอร์เช่นการเผาผนึกอุณหภูมิและการจับเวลาได้ศึกษาเพื่อให้การเบสกระชับข้อมูลเงื่อนไขสำหรับ Mg2Si ขี้ ทั้งหมดนี้ตัวอย่างเตรียมไว้ในอัตราคงที่ความร้อน 100 C /ต่ำสุด และค่าคงที่ใช้ความดัน 8.8 ช็อปปิ้ง สองแตกต่างกันใช้อุณหภูมิเผาผนึกที่ 750 850 C และต่าง ๆ สามถือเวลาเป็น 0, 2 และ 5 นาทีถูกนำไปใช้การตรวจสอบผลของขนาดความหนาแน่นและเมล็ดข้าวกระชับCharacterizationsระบุระยะของผลึก โดยการเอ็กซ์เรย์การเลี้ยวเบน(XRD) ใช้ X'pert ฟิลิปส์ diffractometer pro super กับการแหล่ง CuKa (k = 1.5418A °) ที่แรงดันไฟฟ้า 40 kV และใช้ปัจจุบัน 40 mA ละเอียดลออ Rietveld ของ XRDโพรไฟล์ได้รับสามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับขั้นตอนจำนวน ขนาด crystallite และพารามิเตอร์ในโครงตาข่ายประกอบ [23] การสแกนอิเล็กตรอน microscopy (SEM) และพลังงาน dispersiveเอ็กซ์เรย์วิเคราะห์ (เรื่อง — ที่ระยะไกลทำงานมาตรฐาน 8 มม.และแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน 20 kV) ได้ดำเนินการโดยใช้ระบบ Zeiss Ultra 55 SEM ส่งอิเล็กตรอน microscopy(ยการ) ทำโดยใช้การ JEOL 2100F ยการ และยังได้ดำเนินการเลือกตั้งการเลี้ยวเบนอิเล็กตรอน (SAED)การตรวจสอบโครงสร้าง homogeneity ที่ฝุ่นระดับ ตัวอย่างยการถูกเตรียม โดยสลายการจำกัดยอด ofMg2Si ผงในเอทานอลและในที่สุด วางโซลูชันบนกริดเคลือบคาร์บอน Diffusivity ร้อนวัดความร้อนเฉพาะตัวอย่างถูกเลเซอร์flash apparatus (Netzsch LFA 457 MicroFlash). The thermalconductivity j was calculated according to the formulaj = aqCp where a is the thermal diffusivity, q is the density,and Cp is the specific heat of the material. The Seebeckcoefficient (S) and the electrical resistivity (q) were measuredfrom RT up to 600 C using a custom test apparatusdescribed elsewhere. All measurements were carried outunder Ar atmosphere. Finally, the dimensionless figure ofmerit was calculated using the equation; ZT ¼ S2T=qj.Results and discussionSynthesized nanocrystalline Mg2Si powder was sintered bySPS technique, and the optimized compaction parameterswere identified via a series of experiments. The most significantSPS parameters are sintering temperature, appliedpressure, heating rate and holding time. Sample IDs and theSPS parameters utilized for the experiments are presentedin Table 1. The results shown in Table 1 can be used toexplain the effect of these critical parameters on thecompaction density and the crystallite size. Three differentsintering temperatures at 650, 750, and 850 C wereJ Mater Sci (2013) 48:1940–1946 1941123selected for 5 min holding time for the first set of experiments.The sample compacted at 650 C has achieved adensification of only 85 %. The samples compacted at 750and 850 C were further compacted for 2 and 0 minholding time at respective temperatures.Powder XRD analysis was performed to determine thecrystal phases: Fig. 1a–i presents several XRD patternsfrom the as prepared and compacted Mg2Si nanopowderand compacts obtained under different SPS parameters (asdetailed in Table 1). XRD pattern from pristine bulk Mg2Siis shown in Fig. 1a and it confirms some contamination ofoxides and Si impurities. Figure 1b clearly shows after ballmilling Mg2Si has major crystalline phase, and it alsorevealed that traces of MgO and Si phases are still presentin the ball-milled Mg2Si powder. The presence of MgO andSi originate from raw starting materials and partly due tothe oxidation of Mg2Si during the BM process [24]. XRDpatterns from Mg2Si powder and compacted samples wereindexed using reference patterns for Mg2Si (JCPDS#00-035-0773), MgO (JCPDS# 00-045-0946), and Si(JCPDS# 04-001-7247). Figure 1c–i clearly show that thepeak intensity of free Si is reducing during the SPS processing.It is also important to note that the XRD peaks ofBM Mg2Si powder are significantly broader as compared tothe sintered samples revealing the increase in crystallitesize of the compacted samples under sintering conditions.The presence of MgO phase is detrimental for TE performanceof silicide, as reported by Fiameni et al. [25]. Thepristine materials contain about 6 % of the MgO phase asreported in earlier works [25]. All the samples sintered at750 C present lower MgO amounts (10 %) with respect tothe samples sintered at 850 C (in as much as approximately19 %). Rietveld refinement was employed to estimate
the crystallite size and the average crystallite size is
reported in the range from 120 to 240 nm (See Table 1).
The geometrical (d = m/V) and theoretical density values
(Rietveld refinement) are reported in Table 1 for samples
sintered at 650, 750, and 850 C at different holding times.
All the samples indicate a density higher than 91 % with
the exception of the samples sintered at 650 C showing a
density lower than 80 %. For this reason, compacts at
650 C were not considered for the TE evaluation. XRD
results show that the crystallite size grew severely during
the consolidation, particularly for the sample sintered at
850 C for different holding time. Moreover, it also shows
more densification but compensated with a larger crystallite
size. Due to the high compaction density and lower
crystallite size, pellets compacted at 750 C, were considered
for further TE evaluations.
SEM micrographs obtained from the fabricated and SPS
compacted samples are shown in Fig. 2a–h. Micrograph of
as synthesized nanocrystalline Mg2Si, presented in Fig. 2a,
reveals irregular particle morphology and the presence of
Table 1 SPS parameters,
compaction densities, and
average crystallite size of Mg2Si
samples
a Could not achieve the
acquired densification, therefore
it was not considered for TE
evaluation
Sample id SPS parameters Geometrical
density
(g/cm3)
Theoretical
density
(g/cm3)
Compaction
density (%)
Average
crystallite
Temperature size (nm)
(oC)
Pressure
(kN)
Holding
time
(min)
MS_Asprepared
NA NA NA NA 2.06 NA 50
MS_01a 650 8.8 5 2.49 2.13 85.4 120
MS_02 750 8.8 5 2.38 2.19 91.5 150
MS_03 850 8.8 5 2.32 2.23 95.8 120
MS_04 750 8.8 2 2.28 2.19 96.2 150
MS_05 850 8.8 2 2.25 2.19 97.1 200
MS_06 750 8.8 0 2.19 2.13 97.2 240
MS_07 850 8.8 0 2.29 2.21 96.2 180
Fig. 1 Powder X-Ray Diffraction Patterns; a Pristine bulk Mg2Si; b
Synthesized nanocrystalline Mg2Si Powder, SPS sample; c *MS_01,
d MS_02, e MS_03, f MS_04, g MS_05, h MS_06, and i MS_07
1942 J Mater Sci (2013) 48:1940–1946
123
few small aggregates. In order to estimate the average grain
size, Image J software was used to measure the individual
particles (n[300). Most of the particles measured were in
the range of 100–400 nm while the average particle size is
estimated as 230 ± 30 nm. The wide distribution in the
primary particle size is due to different impact of ballmilling
process. Detailed chemical composition analysis,
performed by coupled EDX, results showed the presence of
excessive Mg, O, and Si elements; which supports the XRD
results in that the MgO and free Si phases are present in the
ball-milled Mg2Si powder.
Figure 2b–h show the detailed microstructural analy

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

J แม่วิทย์ (2013) 48: 1940-1946
ดอย 10.1007 / s10853-012-6959-0
เป็นผู้สมัครที่น่าสนใจสำหรับการศึกษาของการใช้งาน TE
โดย Nikini et al, [13]
และสารเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการทำงานที่ดีขึ้นZT
อุณหภูมิกลางช่วง(400-800 K) [14, 15] พวกเขาจะระบุว่าปลอดสารพิษ,
ความอุดมสมบูรณ์ในธรรมชาติและวัสดุที่ราคาไม่แพงเป็นเมื่อเทียบกับรัฐของศิลปะวัสดุธรรมดา TE เช่น clathrates, chalcogenides และ skutterudites [16]. แมกนีเซียมซิลิไซด์ (Mg2Si) เป็นช่องว่างแถบแคบเซมิคอนดักเตอร์(เช่น * 0.3 -0.6 eV) ที่มีความหนาแน่นต่ำ (ต่ำกว่า2 กรัม / cm3) และอุณหภูมิสูงละลาย (* 1000? C) [17]. Mg2Si และโลหะผสมที่ประกอบด้วยโครงสร้างผลึกต่อต้าน fluorite กับศรี FCC (ใบหน้าศูนย์กลางลูกบาศก์) เว็บไซต์ และแมกนีเซียมใน tetrahedral ตำแหน่ง [18] มันก็อ้างโดยการจำลองใน Zaitsev et al, [19], ว่าประเภทของวัสดุ TE นี้สามารถบรรลุ ZT มากขึ้นค่าเพราะค่าใช้จ่ายสูงเคลื่อนที่ที่มีขนาดใหญ่มวลชนที่มีประสิทธิภาพและองค์ประกอบตาข่ายต่ำเมื่อเทียบกับของการนำความร้อน สำหรับทศวรรษที่ผ่านมาระดับนี้วัสดุที่ได้รับภายใต้การสอบสวนอุณหภูมิช่วงกลางถึงสูงช่วงการใช้งานTE เทคนิคลูกกัดเป็นวิธีการที่รู้จักกันดีสำหรับการผลิตวัสดุเปราะ; แต่ลักษณะเหนียวและการเกิดปฏิกิริยา ofMgwith oxygenmake กระบวนการสังเคราะห์นี้เป็นเส้นทางขี้ปะติ๋ว [20]. มี แต่รายงานไม่กี่พารามิเตอร์การสังเคราะห์และการปรับปรุงวิธีการลูกกัดในการผลิตผงnanocrytallineMg2Si [20-22] อย่างไรก็ตามการเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์การเผาจะต้องได้รับdensification เหมาะและจุลภาค ในงานนี้ nanocrystalline Mg2Si วัสดุที่ถูกจัดทำขึ้นโดยกระบวนการลูกกัดและจุดประกายการเผาพลาสม่า (SPS) กระบวนการที่ใช้สำหรับการควบรวมกิจการ ในโดยเฉพาะอย่างยิ่ง SPS พารามิเตอร์การควบรวมกิจการที่ได้รับการตรวจสอบเพื่อให้บรรลุความหนาแน่นของการบดอัดสูงสุดและอนุรักษ์เมล็ดอิเล็กทรอนิคส์ในเม็ดเผาโดยการศึกษาที่แตกต่างกันอุณหภูมิและถือเวลาสำหรับการทดลองSPS. ขนาดผลึกและบัตรประจำตัวผลึกได้ดำเนินการโดย XRD, SEM และ TEM เทคนิค รายละเอียดจุลภาควิเคราะห์จากพื้นผิวของร้าวอัดจะถูกนำเสนอ. วิธีการทดลองการประมวลผลผงแมกนีเซียมซิลิไซด์(Mg2Si) ผงที่ผลิตจากความบริสุทธิ์สูงเชิงพาณิชย์ที่มีซิลิไซด์แมกนีเซียมชิ้น(99.99% Alfa Aesar) วัตถุดิบที่ถูกบดภายใต้อาร์กอน (Ar) บรรยากาศในลูกบอลดาวเคราะห์โรงงาน(BM) กับเฮกเซนเป็นสื่อกลางในการกระจายตัว กระบวนการ BM ก็ประสบความสำเร็จใน 24 ชั่วโมงด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพการหมุนความเร็ว330 รอบต่อนาทีของ ต่อจากนั้นการรวมของ Mg2Si ผงก็ประสบความสำเร็จภายใต้บรรยากาศ Ar ใช้ดร Sinter 2050 เผา Spark พลาสม่า (SPS-นำเข้าจากซูมิโตโมเหมืองถ่านหินจำกัด กรุงโตเกียวประเทศญี่ปุ่น) โดยใช้ตายกราไฟท์ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง15 มมภายใน จำนวนเงินที่น้อยที่สุดของ 2 กรัมMg2Si ถูกโหลดลงตายสำหรับการทดลองเผา. สำคัญพารามิเตอร์ SPS เช่นการเผาอุณหภูมิและระยะเวลาการถือครองการศึกษาเพื่อให้ได้สิ่งที่ดีที่สุดสำหรับสภาพการบดอัดเม็ดMg2Si ทุกตัวอย่างที่ถูกจัดทำขึ้นในอัตราที่คงที่ความร้อน 100 องศาเซลเซียส / นาทีและแรงดันคงใช้ 8.8 กิโลนิวตัน สองแตกต่างกันอุณหภูมิการเผาที่ 750 และ 850 องศาเซลเซียสถูกนำมาใช้และสามครั้งการถือครองต่างๆ0, 2 และ 5 นาทีถูกนำไปใช้ในการตรวจสอบผลของพวกเขาอยู่กับขนาดและความหนาแน่นเม็ดอัด. ลักษณะเฉพาะขั้นตอนผลึกถูกระบุโดยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์(XRD) โดยใช้ฟิลิปส์ซุปเปอร์ X'pert โปร diffractometer กับแหล่งCuKa (k = 1.5418A °) ที่แรงดันไฟฟ้า 40 กิโลโวลต์และนำมาประยุกต์ใช้ในปัจจุบัน40 มิลลิแอมป์ การปรับแต่ง Rietveld ของ XRD โปรไฟล์ได้รับการใช้ประโยชน์ที่จะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับขั้นตอนการจำนวนเงินขนาดผลึกและพารามิเตอร์ตาข่าย [23] สแกนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM) และพลังงานกระจายการวิเคราะห์เอ็กซ์เรย์(EDX-ที่ระยะการทำงานมาตรฐาน 8 มิลลิเมตรและแรงดันไฟฟ้าเร่ง20 กิโลโวลต์) ได้รับการดำเนินการโดยใช้Zeiss ระบบอัลตร้า 55 SEM ส่งกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน(TEM) ได้รับการดำเนินการโดยใช้ JEOL 2100F TEM และการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพื้นที่ที่เลือก(Saed) ก็ยังดำเนินการในการตรวจสอบความสม่ำเสมอของโครงสร้างที่อนุภาคระดับ ตัวอย่าง TEM ถูกจัดทำขึ้นโดยกระจาย จำกัดจำนวน ofMg2Si ผงในเอทานอลและในที่สุดก็วางวิธีการแก้ปัญหาบนตารางเคลือบคาร์บอน แพร่กระจายความร้อนและความร้อนที่เฉพาะเจาะจงของกลุ่มตัวอย่างถูกวัดโดยเลเซอร์อุปกรณ์แฟลช(Netzsch LFA 457 Microflash?) ระบายความร้อนเจการนำที่คำนวณตามสูตรเจ= aqCp ที่เป็นแพร่กระจายความร้อน, คิวเป็นความหนาแน่นและCp เป็นความร้อนจำเพาะของวัสดุ Seebeck ค่าสัมประสิทธิ์ (S) และความต้านทานไฟฟ้า (ด) วัดจากRT ได้ถึง 600 องศาเซลเซียสโดยใช้เครื่องทดสอบที่กำหนดเองที่อธิบายไว้ในที่อื่น วัดทั้งหมดได้ดำเนินการภายใต้บรรยากาศที่เท่ ในที่สุดตัวเลขมิติของบุญที่คำนวณโดยใช้สมการ; ZT ¼ S2T = QJ. ผลและการอภิปรายสังเคราะห์ nanocrystalline Mg2Si ผงถูกเผาโดยเทคนิคSPS และพารามิเตอร์การบดอัดที่ดีที่สุดที่ถูกระบุผ่านทางชุดของการทดลอง ที่สำคัญที่สุดพารามิเตอร์ SPS จะเผาอุณหภูมิที่ใช้ความดันอัตราการทำความร้อนและการถือครองเวลา รหัสตัวอย่างและพารามิเตอร์ SPS ใช้สำหรับการทดลองจะถูกนำเสนอในตารางที่1 ผลที่แสดงในตารางที่ 1 สามารถใช้ในการอธิบายผลกระทบของค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญเหล่านี้ในความหนาแน่นของการบดอัดและขนาดผลึก สามที่แตกต่างกัน? อุณหภูมิการเผาที่ 650, 750 และ 850 องศาเซลเซียสเป็น J แม่วิทย์ (2013) 48: 1940-1946 1941 123. เลือกให้เวลา 5 นาทีผู้ถือหุ้นสำหรับชุดแรกของการทดลอง? ตัวอย่างการบดอัดที่ 650 ซีได้ประสบความสำเร็จdensification เพียง 85% กลุ่มตัวอย่างที่บดอัดที่ 750? C และ 850 ถูกบดอัดอีก 2 คนและ 0 นาทีถือเวลาที่อุณหภูมิตามลำดับ. ผงวิเคราะห์ XRD ได้ดำเนินการเพื่อตรวจสอบขั้นตอนคริสตัล: รูป i-1a นำเสนอหลายรูปแบบ XRD จากเป็นที่เตรียมไว้และบดอัด nanopowder Mg2Si และอัดที่ได้รับภายใต้พารามิเตอร์ที่แตกต่างเอสพีเอ (เป็นรายละเอียดในตารางที่1) รูปแบบ XRD จากที่เก่าแก่จำนวนมาก Mg2Si แสดงในรูป 1a และยืนยันการปนเปื้อนของออกไซด์และสิ่งสกปรกศรี รูปที่ 1b แสดงให้เห็นชัดเจนหลังจากที่ลูกกัดMg2Si มีผลึกที่สำคัญและยังเปิดเผยว่าร่องรอยของMgO และขั้นตอนศรียังคงอยู่ในลูกแป้งผงMg2Si การปรากฏตัวของ MgO และศรีมาจากวัสดุที่เริ่มต้นดิบและส่วนหนึ่งเป็นเพราะการเกิดออกซิเดชันของMg2Si ในระหว่างกระบวนการ BM [24] XRD รูปแบบจากผง Mg2Si และตัวอย่างอัดได้รับการจัดทำดัชนีโดยใช้รูปแบบการอ้างอิงสำหรับการMg2Si (JCPDS # 00-035-0773) MgO (JCPDS # 00-045-0946) และศรี(JCPDS # 04-001-7247) รูปที่ 1 c-ผมแสดงให้เห็นชัดเจนว่าจุดสูงสุดของฟรีศรีคือการลดในระหว่างการประมวลผลSPS. ยังเป็นสิ่งสำคัญที่จะทราบว่ายอด XRD ของผงBM Mg2Si อย่างมีนัยสำคัญที่กว้างขึ้นเมื่อเทียบกับตัวอย่างเผาเผยให้เห็นการเพิ่มขึ้นของผลึกขนาดของตัวอย่างอัดภายใต้เงื่อนไขการเผา. การปรากฏตัวของเฟส MgO เป็นอันตรายสำหรับการทำงาน TE ของซิลิไซด์รายงานโดย Fiameni et al, [25] วัสดุที่เก่าแก่มีประมาณ 6% ของเฟส MgO เป็นรายงานในผลงานก่อนหน้านี้[25] ทั้งหมดตัวอย่างเผาที่750 องศาเซลเซียสนำเสนอจำนวน MgO ต่ำ (10%) ส่วนที่เกี่ยวกับกลุ่มตัวอย่างเผาที่850 องศาเซลเซียส (ในมากที่สุดเท่าที่ประมาณ19%) การปรับแต่ง Rietveld ถูกจ้างมาเพื่อประเมินขนาดผลึกและขนาดผลึกเฉลี่ยรายงานในช่วง120-240 นาโนเมตร (ดูตารางที่ 1). เรขาคณิต (d = เมตร / V) และค่าความหนาแน่นทางทฤษฎี(การปรับแต่ง Rietveld) มีการรายงานใน ตารางที่ 1 ตัวอย่างเผาที่650, 750 และ 850 องศาเซลเซียสในช่วงเวลาการถือครองที่แตกต่างกัน. ทั้งหมดตัวอย่างแสดงให้เห็นความหนาแน่นสูงกว่า 91% โดยมีข้อยกเว้นของตัวอย่างเผาที่650 องศาเซลเซียสแสดงหนาแน่นต่ำกว่า80% ด้วยเหตุนี้ compacts ที่650 องศาเซลเซียสไม่ได้รับการพิจารณาสำหรับการประเมินผล TE XRD ผลแสดงให้เห็นว่าขนาดผลึกเพิ่มขึ้นอย่างรุนแรงในช่วงการควบรวมกิจการโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับตัวอย่างเผาที่850 องศาเซลเซียสเป็นเวลาถือครองที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นdensification มากขึ้น แต่การชดเชยที่มีขนาดใหญ่ผลึกขนาด เนื่องจากความหนาแน่นของการบดอัดสูงและลดขนาดผลึกเม็ดบดอัดที่ 750 องศาเซลเซียสได้รับการพิจารณาสำหรับการประเมินผลTE ต่อไป. SEM ไมโครได้จากการประดิษฐ์และ SPS ตัวอย่างอัดจะถูกแสดงในรูป 2a ชั่วโมง micrograph ของเป็นnanocrystalline Mg2Si สังเคราะห์ที่นำเสนอในรูป 2a, เผยให้เห็นลักษณะทางสัณฐานวิทยาของอนุภาคผิดปกติและการปรากฏตัวของตารางที่ 1 พารามิเตอร์ SPS, ความหนาแน่นของการบดอัดและขนาดผลึกเฉลี่ยของ Mg2Si ตัวอย่างอาจไม่บรรลุdensification ได้มาดังนั้นมันก็ไม่ได้รับการพิจารณาให้TE ประเมินรหัสตัวอย่างพารามิเตอร์ SPS เรขาคณิตความหนาแน่น(g / cm3) ทฤษฎีความหนาแน่น(g / cm3) บดอัดความหนาแน่น (%) เฉลี่ยผลึกขนาดอุณหภูมิ(นาโนเมตร) (องศา) ความดัน(กิโลนิวตัน) โฮลดิ้งเวลา(นาที) MS_Asprepared NA NA NA NA 2.06 NA 50 MS_01a 650 8.8 5 2.49 2.13 85.4 120 MS_02 750 8.8 2.38 2.19 5 91.5 150 MS_03 850 8.8 2.32 2.23 5 95.8 120 MS_04 750 2 2.28 8.8 2.19 96.2 150 MS_05 850 2 2.25 8.8 2.19 97.1 200 MS_06 750 8.8 0 2.19 2.13 97.2 240 MS_07 850 8.8 0 2.29 2.21 96.2 180 รูป ผง 1 X-Ray รูปแบบการเลี้ยวเบน; เป็นกลุ่มที่เก่าแก่ Mg2Si; ขสังเคราะห์ nanocrystalline Mg2Si ผงตัวอย่าง SPS; ค * MS_01, d MS_02 อี MS_03 ฉ MS_04 กรัม MS_05 เอช MS_06 และฉัน MS_07 1942 J แม่วิทย์ (2013) 48: 1940-1946 123 ไม่กี่มวลขนาดเล็ก เพื่อที่จะประเมินเม็ดเฉลี่ยขนาดภาพ J ซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการวัดแต่ละอนุภาค(n [300) ส่วนใหญ่ของอนุภาคที่วัดได้อยู่ในช่วงของ 100-400 นาโนเมตรในขณะที่มีขนาดอนุภาคเฉลี่ยประมาณ230 ± 30 นาโนเมตร การกระจายกว้างในขนาดอนุภาคหลักคือเนื่องจากผลกระทบที่แตกต่างกันของ ballmilling กระบวนการ การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีที่รายละเอียดของการดำเนินการโดย EDX คู่ผลการศึกษาพบการปรากฏตัวของมากเกินไปMg, O, และองค์ประกอบศรี; ที่สนับสนุน XRD ผลในการที่ MgO และขั้นตอนศรีฟรีที่มีอยู่ในลูกแป้งผงMg2Si. รูปที่ 2b ชั่วโมงแสดงรายละเอียดมีส่วนจุลภาค

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

เจ ม. วิทย์ ( 2013 ) 48:1940 – 1946
ดอย 10.1007 / s10853-012-6959-0
เป็นผู้สมัครที่น่าสนใจสำหรับการศึกษาเพื่อการใช้งาน
โดย nikini et al . [ 13 ] และ สารเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพใน

ZT อุณหภูมิช่วงกลาง ( 400 - 800 k ) [ 14 , 15 ) ได้แก่ พิษ ,
มากมายในธรรมชาติ และวัสดุที่แพงน้อยกว่า
เมื่อเทียบกับรัฐของศิลปะวัสดุ Te ปกติ
เช่นชรัวแชลโคเจไนด์ และ skutterudites , [ 16 ] .
แมกนีเซียมซิลิไซด์ ( mg2si ) เป็นวงแคบ ( เช่นช่องว่าง
( * 0.3 - 0.6 EV ) ที่มีความหนาแน่นต่ำ ( ด้านล่าง
2 กรัมต่อลิตร ) และอุณหภูมิการหลอมเหลวสูง ( * 1000  c ) [ 17 ] .
mg2si และโลหะผสมประกอบด้วย anti fluorite โครงสร้าง
คริสตัลกับชีใน FCC ( ลูกบาศก์ ) เว็บไซต์และ Mg ในตำแหน่ง [ 18 ] tetrahedral

มันถูกอ้างโดยจำลองไซเซฟ
et al . [ 19 ] ว่าวัสดุชนิดนี้สามารถบรรลุ te
ZT มากขึ้นค่า เพราะ mobilities ค่าใช้จ่ายสูงที่มีประสิทธิภาพและส่วนประกอบของตาข่ายขนาดใหญ่
มวลต่ำเปรียบเทียบของ
ความร้อนการนำ สำหรับทศวรรษที่ผ่านมา , รุ่น
นี้วัสดุที่ได้รับภายใต้การสอบสวน - ช่วงอุณหภูมิ
สูงการใช้งานที เทคนิคกัดบอลเป็นวิธีที่รู้จักกันดีสำหรับการผลิตวัสดุเปราะ

; แต่ลักษณะอ่อนและการ ofmgwith oxygenmake
นี้การสังเคราะห์กระบวนการเส้นทางนอนทริเวียล . [ 20 ] .
มี , อย่างไรก็ตาม , ไม่รายงานเกี่ยวกับพารามิเตอร์ในการสังเคราะห์และปรับปรุงวิธีการกัดบอล

เพื่อผลิตnanocrytallinemg2si ผง [ 20 – 22 ] อย่างไรก็ตาม การเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์จะต้องเผา

กันได้เหมาะและจุลภาค ในงานนี้ mg2si nanocrystalline
เตรียมวัสดุและกระบวนการกัดบอลประกาย
พลาสมา sintering ( SPS ) กระบวนการที่ใช้สำหรับการรวม ใน
เฉพาะ สปส. ได้

รวมพารามิเตอร์บรรลุความหนาแน่นของการบดอัดสูงสุดและประหยัด
nanostructured ธัญพืชในผงอัดเม็ด โดยศึกษาความแตกต่างของอุณหภูมิและเวลาในการทดลองไว้

ขนาดผลึกและ สปส. ระบุเฟสผลึกได้
โดย XRD , SEM และ TEM เทคนิค การวิเคราะห์โครงสร้างรายละเอียด
จากพื้นผิวของชิ้นงานแตก

ทดลองวิธีการที่ถูกนำเสนอ