元素?fù)诫s及CNTs-SiC彌散對(duì)Bi2Ba2Co2Oy熱電性能的影響研究.pdf

1、熱電材料能夠依靠固體材料中載流子的輸運(yùn)實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，主要應(yīng)用于溫差發(fā)電和熱電制冷。用熱電材料制作的熱電器件具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠以及環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)。材料的熱電性能好壞與其電阻率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率有關(guān)，常用無量綱的熱電優(yōu)值TT來評(píng)價(jià)i.ZT=S2T/(pK)，S為塞貝克系數(shù)，p為電阻率，k為熱導(dǎo)率，T為工作溫度）。功率因子定義為：PF=S2/p。氧化物熱電材料物理化學(xué)穩(wěn)定性好，但一般電阻率太大使得其熱電性能遠(yuǎn)不如合金材料

2、。而NaCo2O4材料具有較高熱電性能的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了氧化物熱電材料的研究熱潮。Bi2Ba2Co2Oy材料即是一類性能較好的具有層狀結(jié)構(gòu)的Co基氧化物熱電材料。
　　提高Co基氧化物熱電性能的方法多樣，其中元素?fù)诫s和納米化是兩個(gè)重要的方向。合適的元素?fù)诫s能夠提高載流子濃度，從而改善電輸運(yùn)性能，一些重元素?fù)诫s還能較好地降低材料熱導(dǎo)率。納米材料的量子尺寸效應(yīng)和庫倫阻塞有可能提高材料的熱電性能。本文采用簡單的高溫固相合成法制備樣品，通過X

3、RD、SEM和EDS等進(jìn)行物相表征，并對(duì)材料的電阻率、塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率、功率因子和ZT值進(jìn)行測量和計(jì)算。
　　本文首先研究了Na、K元素Bi位替代對(duì)Bi2Ba2Co2Oy材料熱電性能的影響。K元素?fù)诫s實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不利于提高Bi2Ba2Co2Oy材料熱電性能。少量Na替代Bi使得Bi2Ba2Co2Oy材料的載流子濃度增加，從而減小了電阻率并減小了塞貝克系數(shù);過量摻雜后材料的電阻率升高;Na元素?fù)诫s也起到了降低熱導(dǎo)率的作用。BiL8

4、Na0.2Ba2Co2Oy樣品的ZT值在873K達(dá)到了0.2，比未摻雜樣品的ZT值提高了79％。
　　接著，研究了在1.25at%Na元素?fù)诫s的基礎(chǔ)上CNTs和C納米點(diǎn)彌散對(duì)Bi2Ba2Co2Oy材料熱電性能的影響。CNTs混入增強(qiáng)了界面散射，材料的熱導(dǎo)率顯著下降，功率因子也有所下降；1.25 at% Na摻雜部分補(bǔ)償了CNTs混入導(dǎo)致的電阻率升高。C納米點(diǎn)混入對(duì)材料電輸運(yùn)性能的影響與CNTs類似。Bi1.975Na0.025Ba

5、2Co2Oy+0.5 wt%CNT樣品在923K的ZT值達(dá)到了0.21，比Bi1.975Nac.025Ba2Co2Oy樣品提高了53.3%，比Bi2Ba2CO2Oy樣品提高了78.2%。
　　最后，研究了納米SiC彌散對(duì)Bi2Ba2Co2Oy材料功率因子的影響。納米SiC材料本身具有較高的塞貝克系數(shù)和較低的電阻率。納米SiC含量較少時(shí)復(fù)合材料的電阻率減小，而納米SiC含量過多時(shí)電阻率反而增大。納米SiC顆粒的引入還提高了材料的塞貝