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P型Na_xCo_2O_4基热电陶瓷材料的制备与性能表征

管其刚  
【摘要】:P型热电陶瓷材料NaxCo2O4是氧化物热电材料的一个典型代表。目前,对NaxCo2O4热电材料的研究虽然已经有很多,但多数还是集中在掺杂方面的研究。本文以NaxCo2O4基热电陶瓷材料作为研究对象,用材料学中的复合、双位共掺杂的思想,进一步研究以寻求提高热电性能。即利用自蔓延与固相反应相结合的方法制备双位共掺杂的粉末,然后采用粉末冶金工艺制备出Na1.7Co2O4/La0.6Sr0.4CoO3复合热电陶瓷材料。同时对所制备出的粉体以及P型NaxCo2O4基热电陶瓷材料进行系统的研究,分析复合与共掺杂对其电导率和Seebeck系数及功率因子的影响。 本文主要的研究成果如下: 1.利用自蔓延与固相反应相结合的方法制备出平均粒度在16.45μm左右的Na17-xCax(Co0.85Cu0.15)2O4(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)系列粉末,以及平均粒度在28.543μm左右的Na1.7-xCaxCo2O4-yFy(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25)粉末。首先,采用自蔓延法制备出Na1.7-xCax(Co0.85)2O4前驱物和平均粒度在12.534μm左右,具有层状结构的Na1.7Co2O4粉末,然后利用固相反应掺杂相应元素的化合物CuO和CaF2,得到Na1.7-xCax(Co0.85Cu0.15)2O4和Na1.7-xCaxCo2O4-yFy粉末。 2.探索制备Na1.7Co2O4/La0.6Sr0.4COO3复合材料,并测试复合材料的热电性能。La0.6Sr0.4COo3粉末的合成方法为甘氨酸-硝酸盐法,复合材料的制备方法为粉末冶金法。通过对复合材料粉末Na1.7CO2o4/La0.6Sr0.4COO3的XRD进行分析可知:当复合量较小时,二者以结构上的复合为主;当复合量大于10%(wt)后,材料内部会有一些杂相生成。SEM照片显示,随着La0.6Sr0.4CoO3复合量的增加,颗粒粒度无明显变化,但材料的层状结构不再明显,结构的变化导致材料内部空隙增多。热电性能测试表明,复合材料的电导率相比Na1.7Co2O4,电导率增幅比较明显,Seebeck系数无明显减小或增大,并且随着温度的变化,表现出一定的稳定性。实验测试表明,复合量为8%(wt)的复合材料,其功率因子比较平稳,在所测温度区间内的均值可达5.33×10-4W/mK2。 3.通过阳离子Cu2+与Ca2+双位共掺杂的实验与分析得知,粉末中还有少量的杂相存在。对Na1.6Ca0.1(Co0.85Cu0.15)2O4粉末进行压制和烧结性能的测试,结果表明粉末的最佳压制压力为600Mpa,粉末烧结体的密度可以达到4.126g/cm3。烧结体断口的SEM照片显示,随着掺杂量的增加,烧结体中的颗粒逐渐变大。掺杂后的材料,相比于Na1.7Co2O4,其电导率、Seebeck系数均有所提高。功率因子最大值为873K下的9.45×10-4W/mK2(x=0.15)。当x=0.1时,其在所测的温度区间内,变化幅度最小,整体热电性能最好,最高值出现在823K时的9.22×10-4W/mK2。 4.通过对阳离子Ca2+和阴离子F-双位共掺的实验与结果分析,所制备的粉末颗粒有明显的取向生长,粒度有一定程度的增大,同时会伴随着少量的Na02生成。电导率除x=0.05有所增加外,其余配比的电导率均有较明显的减小,但掺杂试样的Seebeck系数均有所提高。虽然最大功率因子不及Na1.7Co2O4,但在所测温度区间内,材料的功率因子比较平稳。掺杂量x=0.05时,材料功率因子的均值为2.96×10-4W/mK2。


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