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Ca3Co409+x厚膜制备工艺及废热发电应用研究

曹懿  
【摘要】:热电材料作为一种功能半导体,能实现热能与电能之间的相互转换。热电发电器件具有结构简单、无污染、易集成及小型化等诸多优势,这些优势使得热电转换器件在废热回收利用尤其是针对低品位热源的应用有重要意义。Ca3Co4O9+x是一种可在高温氧气氛围内服役、性质稳定的半导体材料,是制做热电器件的理想材料。 本文分别通过固相反应法和溶胶-凝胶法制备了Ca3Co4O9+x氧化物热电材料,表征并分析了其合成机理,产物特性,对比了两者之间产物的差别并优化。为实现该材料的丝网印刷、旋涂工艺,本文通过传统方法配置浆料配方,并通过科学的理论分析,提出了一种新的浆料配置手段。通过实验,获得了最优化的浆料配方、配比及成膜工艺,实现了单层、多层膜的制备与性能表征。同时,针对其应用,设计并搭建了基于换热器的热电性能测试系统及废热回收系统。 论文通过以上工作,获得结论如下: 1.通过对比溶胶-凝胶法和固相反应法的合成机理,并对各自产物进行表征,发现溶胶凝胶法获得的产物颗粒尺寸更均匀、更小、易于分散,更适用于丝网印刷制浆工艺。 2.通过不同配方的配置,实现了Ca3Co4O9+x的丝网印刷厚膜工艺,调节原浆与原始粉末配比,获得了成膜性能最好的浆料配方、配比。通过优化旋涂、热处理方法获得了最优化的成型工艺。 3.冷等静压可显著提高热电厚膜的导电能力,改善其表面形貌,提高厚膜的致密度。旋涂2次后的样品经冷等静压后,在450℃附近功率因子可达72μW/K2m。 4.设计并搭建废热回收系统。实现对低品位废热的回收转换,在电机负载下,通过模块串联输出,最大输出功率为0.28W,功率密度为29.47W/m3。


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