稀土元素掺杂Ca_3Co_4O_9与Ag复合材料的制备及热电性能

【摘要】：能源是人类经济和社会发展的重要物质基础,也是国家进行现代化建设和提高人民生活水平的重要条件。因此,发展环境友好的可再生能源及能源转换技术越来越受到人们的关注。Ca_3Co_4O_9基氧化物是目前最有希望得到工业应用的高温热电材料之一,其具有耐高温、抗氧化、热稳定性好、无污染、使用寿命长、制备简单、成本低等优点,但目前距离可实用化的性能指标还有较大差距,因此,人们不断努力寻求提高其热电性能的新途径。 本论文通过高分子网络凝胶法合成出均匀高纯的稀土Sm或Yb掺杂Ca_3Co_4O_9体系粉体并与Ag复合,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备出高致密的复合陶瓷材料,利用XRD和SEM对材料的物相和形貌进行了表征,并研究了材料的Seebeck系数、电导率、功率因子等随Ag含量的变化规律。 通过对Ca_3Co_4O_9/Ag、(Ca_(0.9)Sm_(0.1))_3Co_4O_9/Ag和(Ca_(0.9)Yb_(0.1))_3Co_4O_9/Ag体系陶瓷进行物相分析和断口形貌观察,发现在以上各体系中,Ag主要是以单质第二相的形式存在,其粒径大小约为0.1~1μm;基体晶粒均呈层片状,粒径尺寸大约1~2μm,基体中无明显气孔,材料的致密度较高,均达到98%以上。表明利用高分子网络凝胶法和SPS相结合的工艺更有利于单质Ag在基体中的分布,使得基体中Ag相的粒径更小,分布更均匀。 Ca_3Co_4O_9/Ag、(Ca_(0.9)Sm_(0.1))_3Co_4O_9/Ag和(Ca_(0.9)Yb_(0.1))_3Co_4O_9/Ag体系的热电性能研究表明,Ag复合使试样的电导率均有显著提高,但Seebeck系数却随着Ag复合量的增加而降低。由于电导率增加的幅度要大于Seebeck系数降低的程度,使得Ca_3Co_4O_9/Ag、(Ca_(0.9)Sm_(0.1))_3Co_4O_9/Ag和(Ca_(0.9)Yb_(0.1))_3Co_4O_9/Ag体系的功率因子均比未复合Ag时有不同程度的提高。在各复合体系中,Ca_3Co_4O_9/0.3Ag的功率因子最大为3.72×10~(-4)W·m~(-1)·K~(-2),比未复合Ag时提高了14.8%。(Ca_(0.9)Sm_(0.1))_3Co_4O_9/0.2Ag的功率因子在该体系达到最大,为2.56×10~(-4)W·m~(-1)·K~(-2),比未复合Ag时提高了11.3%。(Ca_(0.9)Yb_(0.1))_3Co_4O_9/0.3Ag的功率因子在该体系达到最大,为2.73×10~(-4)W·m~(-1)·K~(-2),比未复合Ag时提高了31.3%。这表明Ag复合是改善Ca_3Co_4O_9基氧化物热电性能的有效途径。