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p型钡铟双填充方钴矿材料的制备和热电性能

余健  
【摘要】:方钴矿是最具应用前景的中温热电材料,制备ZT值与n型填充方钴矿热电材料相当的高性能p型填充方钴矿热电材料一直是热电领域研究的热点。采用传统扩散退火-放电等离子体烧结工艺制备了名义组成为Ba0.3In0.2FeCo3Sb12-xGex(0≤x≤0.4)的p型(Ba, In)双填充方钴矿热电材料,研究了Ge掺杂对Ba0.3In0.2FeCo3Sb12-xGex材料物相组成和电热输运性能的影响。发展了一种制备填充方钴矿的熔体急冷结合放电等离子烧结非平衡快速制备工艺,制备周期从传统的10天左右大幅度缩短至30h以内,研究了烧结保温时间和烧结温度对p型(Ba,In)双填充方钴矿材料的物相组成和热电性能的影响。 Ba0.3In0.2FeCO3Sb12-xGex热电材料相组成和热电性能研究表明:0x0.2的样品为单相方钻矿热电材料,x≥0.3的样品出现Fe1.67Ge杂质相。随着Ge掺杂量增大,0≤x≤0.2的样品电导率增大、Seebeck系数降低,x≥0.3的样品电导率降低、Seebeck系数增大。Ge掺杂可显著降低晶格热导率,x=0.2的样品晶格热导率最低,750K时仅为1.0W·m-1.K-1。x=0.3的样品ZT值800K时达0.54,与未掺杂样品相比,增大了约10%。 非平衡快速制备的BaInFe3.7Co0.3Sb12材料由方钴矿和少量FeSb2、FeSb和InSb组成。随着保温时间延长,电导率先增大后减小,Seebeck系数变化相反,保温时间为15min的样品功率因子最大,800K时达到2.46m W m-1·K-2;热导率显著降低,晶格热导率先降低后增大,保温时间为20min时样品热导率最低,800K为3.27W·m-1·K-1。优化保温时间可有效提高材料ZT值,保温时间为15min的样品800K时ZT值达到0.6,与传统工艺制备的样品(0.62)非常接近。 非平衡快速制备的BaIn0.5Fe3.7Co0.3Sb12材料由方钴矿和少量FeSb2、InSb和Sb组成。随着烧结温度提高,电导率小幅度降低,Seebeck系数增大,烧结温度为798K的样品功率因子最大,800K时达到3.1m W m-1·K-2:热导率先降低后增大,晶格热导率逐渐增大,烧结温度为798K时样品热导率最低,800K为3.68W.m-1.K-1。优化烧结温度可有效提高材料ZT值,烧结温度为798K的样品800K时ZT值达到0.68,与烧结温度为773K的样品相比,增大了9.7%。


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