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ZnSb基热电材料的组织结构与热电性能

周竞超  
【摘要】:热电材料是一种热能与电能直接相互转换的新型能源材料,在深空探测、工业废热、汽车尾气余热等领域存在广阔的应用前景。Zn Sb化合物资源丰富、成本低,且热导率较低、塞贝克系数高,具备高性能热电材料潜质,但低电导率和较高的点阵热导率导致ZT值低。因此本文拟采用Na或Ag受主掺杂Zn和等电位Cd取代Zn等方式提高电导率和降低点阵热导率,进而提高Zn Sb的ZT值。采用熔融+球磨+热压烧结相结合的方式制备Zn Sb基热电材料,采用XRD、SEM、ZEM-3、激光热导仪等先进表征手段研究Na或Ag掺杂及Cd取代对Zn Sb热电材料组织结构和热电输运行为的影响规律及机制。研究发现,采用真空融熔+球磨+热压烧结可制备晶粒尺寸约为1?m且为纯相的Na/Cd(Ag/Cd)双掺Zn Sb基热电材料。Na掺杂显著提高了Zn Sb的载流子浓度和电导率,Seebeck系数略有下降,最终导致功率因子大幅上升,在40℃0℃时达到最大值16.1μW/cm K2。Na掺杂由于提高电导率,导致电子热导率(?ele=L?T)和总热导率升高。根据ZT=(S2σ/κ)T,Na掺杂量为0.5%时,在350℃时ZT值达到最高值0.994,显著高于未掺杂Zn Sb的0.42。在Na掺杂的基础上,采用Cd元素等电位取代Zn Sb中的Zn进一步降低点阵热导率。研究结果表明,Cd取代Zn不仅显著降低点阵热导率,还略有提高功率因子。最终Zn Sb热电材料ZT值随着Cd含量的增加先升高后降低,在Cd取代量为8%时性能最优,ZT值300℃为1.22。Ag掺杂对Zn Sb材料热电输运参数的影响与Na掺杂类似,Ag掺杂显著降低电阻率和提高热导率,Seebeck系数降幅较小,导致功率因子大幅增加,最大功率因子为150℃时的22.6μW/cm K2。最终Ag掺杂大幅提高Zn Sb材料的ZT值,400?C由未掺杂的0.63提高到0.95。在Ag掺杂基础上,随着Cd取代Zn量增加,点阵热导率和总热导率逐渐降低,功率因子变换幅度较小,导致ZT值逐渐增加,Ag0.01Cd0.09Zn0.9Sb热电性能最优,300℃时ZT值为1.1。


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