助烧剂对LaCoO_3陶瓷烧结性能及热电性能的影响

【摘要】：LaCoO_3基氧化物是目前备受关注的p型热电氧化物材料之一,由于其烧结温度较高,在制备热电器件过程中难以与低熔点的廉价金属共烧,从而限制了其应用。本论文通过选择适当的助烧剂,在降低LaCoO_3陶瓷烧结温度、缩短烧结时间的同时,改善材料的热电性能,起到助烧和改性的双重作用。 本文研究了B_2O_3、B_2O_3-CuO以及Bi_2O_3-B_2O_3-SiO_2(以下简称BBS)助烧剂对LaCoO_3陶瓷的烧结温度、致密度、晶粒形态的影响;在50~500℃的温度范围内,研究了LaCoO_3陶瓷材料的电导率、Seebeck系数、热导率、功率因子以及热电优值ZT随温度的变化规律,同时分析了烧结温度、助烧剂的种类和用量对材料热电性能的影响。 单一助烧剂B_2O_3不能实现LaCoO_3陶瓷的低温烧结。B_2O_3-CuO助烧剂对LaCoO_3陶瓷具有降低烧结温度和掺杂改性的双重作用:LaCoO_3的烧结温度通常在1200℃以上,加入B_2O_3-CuO助烧剂可将其烧结温度降低至1000℃以下;同时,B_2O_3-CuO的加入提高了材料的电导率,虽然Seebeck系数有所下降,但在不同的烧结温度下,各试样的功率因子均高于未加助烧剂的LaCoO_3。另外,材料的热导率随烧结温度的降低而降低。1000℃烧结温度下,B_2O_3-CuO助烧剂的添加量为2.5mass%的材料在测试温度为100℃时ZT值达最大,为0.073,比未加助烧剂的LaCoO_3提高了9倍,并且比该材料在1100℃烧结后的ZT值提高了约50%,这说明B_2O_3-CuO助烧剂使LaCoO_3在较低的烧结温度下获得了更佳热电性能。 BBS助烧剂可进一步将LaCoO_3陶瓷的致密化温度降低至950℃。BBS的加入使材料的电导率明显高于未加助烧剂的LaCoO_3材料,而Seebeck系数相差不大,950℃烧结时,添加3.0mass%BBS助烧剂的LaCoO_3陶瓷的功率因子仍高达1.03×10~(-4)W·m~(-1)·K~(-2),与经冷等静压成型后1200℃烧结条件下制备的未加助烧剂的LaCoO_3试样的功率因子值相当。另外,加入相同量BBS助烧剂的LaCoO_3陶瓷的热导率随烧结温度的降低而降低,而在相同烧结温度下,热导率随BBS用量的降低而降低。950℃烧结时,添加2.0mass%BBS助烧剂的LaCoO_3陶瓷的ZT值在测试温度为400℃达最大,为0.035,比经冷等静压成型后在1200℃烧结条件下制备的未加助烧剂的LaCoO_3试样的ZT值提高了约30%。