钴基热电氧化物陶瓷的制备与性能表征论文.pdf

学校代码 10530 学号201099080060 分类号 TB34 密级公开博士学位论文钴基热电氧化物陶瓷的制备与性能表征学位申请人欧云指导教师李江宇教授淑红副教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料科学与工程研究方向新型能源材料与器件二〇一四年四月万方数据 Synthesis and Characterizationof cobalt- base thermoelectric oxide ceramics Candidate Yun Ou SupervisorProfessor Jiangyu Li and Professor Shuhong Xie College Faculty of Materials, Optoelectronics and Physics Program Material Science and Engineering Specialization New Energy Materials and Devices Degree Doctor of Engineering University Xiangtan University Date April 2014 万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名: 日期:年月日导师签名: 日期:年月日万方数据 I 摘要随着社会的高速发展,人类对能源需求量日益增加。尤其是进入21世纪以来,城市化和工业化的日益普及,能源危机更加严峻,环境污染愈显突出,已成为当今世界的两大难题。因此,寻找新型能源和新型能源材料,势在必行。热电材料是一种能实现热能和电能直接相互转化的新型环保型功能材料。热电材料尤其是钴基热电氧化物材料具有无毒、无污染、无噪音、高温稳定性好等优点,在废热回收利用、太阳能吸收、以及热管理等方面具有广泛的应用前景。因此,近年来,热电材料已引起了广大研究者的密切关注。本文首先对热电材料的研究进展及应用前景等问题进行了阐述。然后以钴基热电氧化物陶瓷为研究对象,主要讨论了热电材料的制备方法、物理特性、性能表征、以及影响热电性能的参数。并通过掺杂改性、纳米复合、以及低维化等途径对钴基热电氧化物热电陶瓷的性能进行了系统研究。主要研究内容和实验结果可概括如下: 第一,简单介绍了样品制备工艺以及实验中需要用到的热电性能参数主要测试仪器及其测试原理,并搭建了一套功率因子测试仪。该仪器能够实现稳定的塞贝克系数与电导率测试,并应用于前期冷压烧结样品的测试中。第二,采用溶胶-凝胶法通过Ca位掺杂Mg及Co位掺杂(Fe, Mn, Cu) 得到了一系列Ca 3-xN xCo 4-yM yO 9陶瓷粉末,冷压烧结后获得陶瓷块体样品。分析了掺杂对材料的物相、形貌以及热电性能的影响。实验结果表明:微量掺杂对基体的结构和物相影响较小。冷压烧结样品不致密,内部存在大量气孔,降低了材料的热导率,导致热电优值较低。对于Co位Fe掺杂样品,随着掺杂量的增加,塞贝克系数增加,电导率略有降低,而热导率增加。掺杂后热电优值相对于纯相 Ca 3Co 4O 9均有所提高。其中Ca 3Co 9的热电优值ZT最高,在973 ,。对于Co位Mn掺杂样品,塞贝克系数增加,电导率降低,热导率也降低,热电优值增加不明显。对于Co位Cu掺杂试样,塞贝克系数变化较小,电导率降低约30 %,导致热电优值降低。第三,采用溶胶-凝胶法制备了Ca位和Co位双掺杂的Ca 3-xM xCo 4-yN yO 9热电氧化物陶瓷粉末,结合放电等离子体烧结(SPS)制备了双掺杂热电陶瓷块体材料。并对其物相、形貌以及热电性能进行了表征测试。实验结果表明:制备粉末具有明显的层状结构。经过SPS烧结处理后,块体样品的致密度达理论密度的 90 %以上,晶粒发生了适量长大。对于La、Cu双掺杂粉体样品,晶粒尺寸随着 La掺杂量的增加而减小,平均尺寸降到1 ?m以下。经SPS处理后,晶粒平均尺万方数据 II 寸约为2 ?m,层状结构更加明显