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文檔簡介
1、本文系統(tǒng)地研究了摻雜的p-Ca3Co4O9和n-CaMnO3基高溫氧化物熱電材料及其器件的綜合性能。一方面,通過改善制備方法,優(yōu)化摻雜工藝,尋求具有最佳性能的p型和n型熱電材料。另一方面,采用具有最佳熱電性能的材料組裝成熱電器件,進行相關(guān)性能的研究。通過優(yōu)化器件制備工藝的各項參數(shù),顯著地提高器件的溫差發(fā)電性能。實驗結(jié)果將對摻雜p-Ca3Co4O9和n-CaMnO3基氧化物熱電材料的商業(yè)化應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和實用價值。本文取得的主要成
2、果如下:
1、采用自燃法制備了單一相的p-Ca3Co4-xAgxO9、Ca3-xBixCo4O9(x=0,0.1,0.2,0.3)和n-Ca1-ySmyMnO3(y=0,0.02,0.05,0.1)氧化物熱電材料粉末。實驗結(jié)果表明自燃法制備的粉末顆粒細小,分布均勻,有利于獲得高熱電性能的材料試樣,并且自燃法操作簡單,成本低廉,適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。在p型和n型材料試樣制備方面,對粉末煅燒、壓制工藝、材料燒結(jié)等工藝進行了系統(tǒng)
3、分析和研究,獲得了最優(yōu)化的工藝條件,制備出單一純相,結(jié)構(gòu)致密,性能最優(yōu)的熱電材料。
2、采用粉末冶金法制備Ag摻雜的p-Ca3Co4-xAgxO9(x=0,0.1,0.2,0.3)材料。研究結(jié)果表明,隨著Ag摻雜量的增加,材料電導(dǎo)率上升,Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率下降。而對于Bi摻雜的p-Ca3-xBixCo4O9(x=0,0.1,0.2,0.3)材料性能研究表明,隨著Bi摻雜量的增加,材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率下降,Seebe
4、ck系數(shù)上升。實驗結(jié)果確定,當(dāng)x=0.2時,p-Co349/Ag0.2材料試樣具有最佳熱電性能,在973K時,電阻率為89.99μΩm,Seebeck系數(shù)為130.31μVK-1,熱導(dǎo)率為0.954Wm-1K,ZT值達到0.197。當(dāng)x=0.3時,材料p-Co349/Bi0.3材料試樣具有最優(yōu)異的熱電性能,在973K下,電阻率為199.14μΩm,Seebeck系數(shù)為189.42μVK-1,熱導(dǎo)率為0.643Wm-1K,ZT值達到最大值
5、0.27,兩類材料均符合制備高溫?zé)犭娖骷囊蟆?br> 3、采用粉末冶金法制備Sm摻雜n-Ca1-ySmyMnO3(y=0,0.02,0.05,0.1)材料。研究結(jié)果表明,隨著Sm摻雜量的增加材料電導(dǎo)率上升,Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率下降,并獲得最優(yōu)化的工藝條件。實驗結(jié)果表明,當(dāng)y=0.02時,n-Mn113/Sm0.02材料試樣具有最佳熱電性能,在973K時,電阻率為178.2μΩm,Seebeck系數(shù)為202.75μVK-1
6、,熱導(dǎo)率為1.539Wm-1K,ZT值達到0.15,已經(jīng)符合高溫氧化物熱電材料實際應(yīng)用標(biāo)準,可以用于組裝熱電器件,進行溫差發(fā)電性能測量。
4、采用所合成的具有優(yōu)良熱電性能的p-Co349/Ag0.2、p-Co349/Bi0.3和n-Mn113/Sm0.02組裝成熱電器件,在實際工作條件下進行材料溫差發(fā)電性能的測試。用p-Co349/Ag0.2和n-Mn113/Sm0.02組裝溫差發(fā)電器件。在Thot=873K,△T=523
7、K時,器件Rin=0.73Ω,Rin-ideal=0.3Ω,接觸電阻Rc=0.43Ω,最大輸出功率Pmax為36.8mW,制造因子MF=Pmax/Pmax-ideal為0.425,體積功率密度達到81.9mWcm-3,并具有良好的高溫耐久性能。為了進一步改善高溫?zé)犭娖骷苽涔に?,提高熱電器件的綜合性能。采用p-Co349/Bi0.3和n-Mn113/Sm0.02材料組裝溫差發(fā)電器件。通過對高溫?zé)犭娖骷苽涔に嚨母倪M,使得熱電器件性能得到
8、很大程度的提高。在Thot=873K,△T=525K時,器件Rin=0.63Ω,Rin-ideal=0.42Ω,接觸電阻Rc=0.21Ω,最大輸出功率Pmax為51.4mW,制造因子MF=Pmax/Pmax.ideal高達0.663,體積功率密度也提高到127.6mWcm-3,并且具有良好的高溫耐久性能,達到實際使用標(biāo)準。實驗結(jié)果完善了國內(nèi)高溫?zé)犭娖骷苽漕I(lǐng)域的相關(guān)問題,為高溫氧化物熱電材料和多模塊熱電器件商業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。
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