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Mg_2(Si,Sn)与Bi_2Sr_2Co_2O_9热电材料的研究

刘鑫鑫  
【摘要】: 热电材料能够实现热能和电能直接相互转换,在热能发电、电能制冷领域有重要的应用价值和前景。未来大规模的商业应用要求热电材料具备热电性能优良、环境友好和成本经济的特点。Mg_2(Si,Sn)基热电材料和Bi_2Sr_2Co_2O_9氧化物热电材料都具备性能优良、环境友好和成本经济的特点。因此,本论文对这两个热电材料体系进行了成分、显微形貌、热电性能和制备方法等方面的研究,取得了以下主要创新成果。 Mg_2(Si,Sn)基热电材料可以通过改变成分和掺杂元素来调整电学性能和热导率,进而得到热电优值的优化。本论文中对成分Mg_2Si_(0.45)Sn_(0.55)的热电材料分别进行La和Sb元素的掺杂,提高了电学性能,最高ZT值达到0.6。另外,对成分为Mg_2Si_(0.6)Sn_(0.4)的材料进行了La+Sb共掺的研究,发现在掺Sb的基础上再掺La元素,可以进一步提高电学性能,并最终提高热电性能,最高ZT值达到0.7以上。Mg_2(Si,Sn)基热电材料在未来适用于中温区热电发电领域。 Mg_2(Si,Sn)基热电材料需要能制备等化学计量比材料、成本经济的制备方法。由于Mg具有很高的饱和蒸气压,易挥发,易氧化,而且元素Mg(650℃)、Si(1414℃)和Sn(232℃)的熔点相差悬殊,使得制备等化学计量比的Mg_2(Si,Sn)成为一大难题。本论文中探索了用B_2O_3作助熔剂的制备方法和复合制备方法。两种制备方法都能得到等化学计量比Mg_2(Si,Sn)基热电材料,并且成本经济,可以作为未来大规模商业化应用的制备工艺的雏形。特别是用B_2O_3作助熔剂的方法,步骤简单,制备温度低,而且能制备出性能优良的Mg_2(Si,Sn)固溶体,最高的ZT值达到0.8。 Bi_2Sr_2Co_2O_9层状氧化物由于独特的自超晶格结构已经具有较低的热导率,本论文中主要研究了提高电学性能的手段。对Bi_2Sr_2Co_2O_9层状氧化物分别进行了La和Sn的掺杂,掺杂后材料的电学性能得到极大的提高,甚至同时提高了电导率和Seebeck系数,最终使得ZT值达到0.1。未来Bi_2Sr_2Co_2O_9层状氧化物主要适用于高温热电发电器件的应用。


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