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p型方钴矿基热电材料的混合稀土填充及性能优化

徐荆舒  
【摘要】:热电材料是一种能够实现热能和电能之间直接转换的功能材料,理想的热电材料不仅应有较高的热电优值ZT值,还应环境友好和成本低廉。填充方钴矿化合物是一种新型的中温区热电材料,具有良好的导电性能,同时又具有较低的热导率,被认为是一种典型的“电子晶体-声子玻璃”材料。生产应用的热电器件需要同一基体材料的n型和p型组合在一起以达到热电转换的最高效率。但是,目前p型填充方钴矿材料的热电性能由于重带对功率因子的损害而无法与之匹敌,仍需要我们的进一步探索研究。 本文针对p型填充方钴矿材料的特点与问题,系统地研究了混合稀土填充、Fe/Co比、晶粒细化对填充方钴矿材料的影响,主要取得如下成果: 通过悬浮熔炼-SPS的制备方法可重复制备单相p型填充方钴矿(Pr0.25Ndo.75)xFe3CoSbi2热电材料。(Pr0.25Nd0.75)双原子部分填充可以在材料的电学性能没有很大影响下,有效降低其晶格热导率,同时Fe的存在也可以引入点缺陷从而进一步降低热导率。其中试样(Pr0.25Ndo.75)获得此体系中的最低晶格热导率0.44Wm-1K-1,在700K时获得ZTmax=0.83。 在悬浮熔炼-SPS法制备得到的不同Fe/Co比的(Pr0.25Ndo.75)0.8FexCo4-xSb12化合物中,当Fe的含量x1时,所制得的均是p型半导体。随着Fe含量x的增加,化合物的电导率先下降后上升,功率因子先下降后上升,晶格热导率kl先下降后上升。当Fe含量x为3时,晶格热导率kl获得最小值0.95Wm-1K-1这同时是此系列试样中热电性能最好的。 悬浮熔炼-SPS法制备得到的单原子填充方钴矿NdxFe3CoSb12热电材料,均为p型半导体。其热电性能与填充分数变化规律与混合稀土填充方钴矿材料相似,同时由于填充原子的改变,试样电学性能有所提高,热导率有一定的上升,试样Nd0.8Fe3CoSb12在700K左右达到最大值,ZTmax=0.77。从热电性能的方面和原料成本两方面方面考虑,混合稀土填充方钴矿都略胜一筹。 球磨是细化晶粒的重要手段,经过短暂时间球磨的试样,晶粒尺寸也有显著的减小。晶粒细化对Nd0.8Fe3CoSb12化合物影响显著,其热导率有所下降,功率因子下降更多,总体上,球磨没有提高材料的热电优值ZT值。


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