摻雜氧化物熱電材料的合成與性能研究.pdf

1、隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源環(huán)境問題日益突出，熱電材料由于在能源利用以及環(huán)境保護(hù)方面的特殊功能，已經(jīng)成為材料研究領(lǐng)域的熱點。熱電材料是通過載流子的移動來進(jìn)行熱能與電能的相互轉(zhuǎn)換，主要應(yīng)用在低溫制冷和溫差發(fā)電上。氧化物熱電材料體系，如NaχCo2O4，Ca3Co4O9，和LaχCayMnO3都表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。以往的研究表明，導(dǎo)電性能良好的金屬元素的摻雜可以提高熱電材料的性能。因此，我們希望通過研究在NaχCo2O4熱電材料的Co位

2、上摻雜不同含量的Cu，Ag元素來提高材料的熱電性能。另一方面，我們希望確定N型熱電材料LaχCayMnO3中的χ，y值，并最終與NaχMyCo2-yO4(M=Cu，Ag)進(jìn)行配對，以組裝器件。 本實驗采用自燃法合成氧化物熱電材料NaχMyCo2-yO4(M=Cu，Ag)和LaχCayMnO3的粉末，并結(jié)合傳統(tǒng)粉末冶金的方法制備材料。對所得反應(yīng)物進(jìn)行了χ射線衍射(X-ray)分析，透射電鏡(TEM)與掃描電鏡(SEM)的分析。同時

3、分析了各元素的含量以及材料的致密度對材料的seebeck系數(shù)，電導(dǎo)率，熱導(dǎo)率，功率因子和熱電優(yōu)值的影響。 本論文的主要研究成果如下： 1.通過自燃法可以獲得單一純相的NaχCo2O4粉末，結(jié)合氣流粉碎工藝可以獲得平均粒徑在2μm左右的超細(xì)粉末。使用傳統(tǒng)的粉末冶金工藝，制備出具有高度定向結(jié)晶的氧化物熱電陶瓷材料NaχCo2O4。由于Na在800℃時會蒸發(fā)，增加了20％的NaNO3來彌補。當(dāng)χ=1.7時，NaχCo2O4相最

4、純，無任何雜質(zhì)，且熱電性能較好，可以作為摻雜的基體。 2. 摻雜Cu，Ag促進(jìn)了NaχCo2O4晶粒沿六方晶系C軸的定向生長，Na1.7Cu0.2Co1.8O4和Na1.7Ago.2Co1.8O4最為明顯，Lotgering因子f最高達(dá)到了0.975：摻雜細(xì)化了NaχCo2O4熱電材料的晶粒，并對試樣密度有一定影響，Na1.7CuyCo2-yO4試樣的最大密度為4.219g/cm3,Na1.7AgyCo2-yO4試樣的最大密度達(dá)

5、到4.638 g/cm3。 3.合適的材料密度和合適的摻雜量能最大限度的改善NaχCo2O4材料的熱電性能。摻雜Ag對改善材料熱電性能的作用更為明顯。Ag摻雜量為0.2的試樣Na1.7Ag0.2Co1.8O4具有較好的微觀結(jié)構(gòu)，各項性能指標(biāo)良好，當(dāng)溫度為873K時，無量綱熱優(yōu)值系數(shù)ZT達(dá)到最大值：0.316。 4.自燃法能成功用于LaχCayMnO3熱電材料粉末的制備。再結(jié)合傳統(tǒng)的粉末冶金方法，得到的材料不僅具有單一的相

6、組成，幾乎無任何雜質(zhì)，且微觀組織均勻致密。La0.6Ca0.4MnO3在高溫區(qū)域的電性能較優(yōu)良，當(dāng)溫度為873K時，其電阻率能與Na1.7AgyCo2-yO4達(dá)到同一數(shù)量級。LaχCayMnO3的熱導(dǎo)率較低，室溫條件下在1Wm-1K-1左右，高溫條件下在3Wm0-1K-1左右。但由于其功率因子較低，限制了材料的ZT值。La0.6Ca0.4MnO3在873K時達(dá)到最大值0.074，可用于Na1.7AgyCo2-yO4的配對材料。