收藏本站
收藏 | 论文排版

填充方钴矿热电材料的非平衡制备和结构与热电性能调控

余健  
【摘要】:热电材料是一种利用Seebeck效应或Peltier效应实现热能和电能直接转换的功能材料,在工业余热发电和热电制冷等领域具有重要和广泛应用。填充方钴矿热电材料在中温区具有优异的热电性能,被认为是最具应用潜力的热电材料。针对填充方钴矿材料目前存在的制备周期过长和难以进一步降低晶格热导率的两大瓶颈问题,本文发展了一种熔体淬火(MQ)结合放电等离子体烧结(SPS)快速制备填充方钴矿热电材料的高效方法(MQ-SPS),制备周期由传统方法的9~10天缩短至30小时以内;发展了一种制备微米孔结构填充方钴矿热电材料的新方法;并以快速工艺制备的铁基填充方钴矿热电材料为研究对象,研究了该材料的热稳定性。得到如下主要结论: 采用MQ-SPS快速工艺制备了名义组成为BaxFe4Sb1(2x=1.0,1.2,1.4,1.5,1.6)的Ba单原子填充铁基方钴矿热电材料,研究了Ba填充对材料的物相组成、显微结构和热电性能的影响规律。结果发现,在放电等离子体活化作用下,淬火材料可以快速转变为仅含有少量Sb和FeSb2杂质相的填充方钴矿,制备周期缩短为30h以内;优化x值,可以有效降低SPS材料中杂质相的含量,x≥1.4样品由单相填充方钴矿组成,x1.4样品因BaSb3液相量增大而出现晶粒异常长大现象。输运性能测量表明,材料电导率随x值增大先逐渐增大,x1.4样品虽含有可降低电导率的气孔,但电导率未出现明显降低,电导率先增大与杂质相FeSb2含量减少有关,电导率保持不变源于异常长大晶粒导致迁移率显著提高;Seebeck系数随x增大先增大后减小,Seebeck系数先增大与杂质相含量减少有关,Seebeck系数减小源于气孔增多;晶格热导率随x增大先降低后增大,晶格热导率降低与Ba填充量增大导致声子共振散射作用增强有关,晶格热导率增大源于晶粒异常长大导致晶界对声子的散射作用减弱。x=1.4样品具有最大的功率因子和最低晶格热导率,800K时分别为2.9mW·K-2·m-1和0.63W·m-1·K-1,x=1.4样品800K时最大的ZT值达到0.62,与x=1.0样品相比提高了34%。 以名义组成为BaIn0.5Fe3.7Co0.3Sb12的(Ba,In)双原子填充铁基方钴矿材料为研究对象,研究SPS烧结温度对快速制备(Ba,In)双原子填充铁基方钴矿材料物相组成和热电性能的影响规律,揭示MQ-SPS工艺快速制备填充方钴矿的结晶反应机制。结果发现,在SPS条件下,淬火过程中包晶反应形成的FeSb首先与Sb反应生成FeSb2,随后FeSb2与其他淬火物相(BaSb3,InSb,Sb)直接反应形成BaIn0.5Fe3.7Co0.3Sb12。烧结温度为723K时,FeSb2和FeSb可全部转变成单相填充方钴矿,高于723K后由于Sb挥发导致产物中重新出现FeSb2。输运性能测量表明,烧结温度为723K时材料具有最高电导率,烧结温度为848K时材料电导率最低;升高烧结温度可小幅度提高Seebeck系数。烧结温度为798K时材料具有最大功率因子,800K时达到2.8mW·K-2·m-1。热导率和晶格热导率随烧结温度升高先降低后增大,烧结温度为773K时材料具有最低晶格热导率,800K时仅为0.57W·m-1·K-1。材料ZT值随烧结温度升高先增大后减少,烧结温度为798K时材料ZT值最大,800K时达到0.61。 利用ZnSb在高温下易分解挥发特性,发展了熔体淬火-扩散退火-SPS-高温退火工艺制备具有微米孔结构的钴基(Ba,In)双原子填充方钴矿热电材料的新方法,系统研究了微米孔结构对物相组成、显微结构和热电性能的影响规律。结果表明,钴基(Ba,In)双原子填充方钴矿热电材料中ZnSb第二相在高温退火过程中被分解、挥发并形成约1~4μm的微米孔结构,同时发现微米孔边界表面富集大量由Ba和Sb构成的尺寸约为20~80nm的纳米结构。输运性能测量表明,这种微米孔材料的Seebeck系数显著提高,但电导率并未因微米孔出现而明显降低;功率因子明显增大,800K时最大功率因子达到4.96mW·K-2·m-1,与同成分的致密材料相比,增大了6.7%。这种微米孔结构还导致晶格热导率大幅度降低,800K时最低晶格热导率仅为0.9W·m-1·K-1,与同成分的致密材料相比,降低了26%。故微米孔材料的ZT值大幅度提高,800K时最大ZT值达到1.36,与同成分的致密材料相比,提高了22.5%。微米孔材料的电导率变化不明显源于电输运的逾渗效应,Seebeck系数显著增大源于孔表面的纳米结构对载流子的能量过滤效应,晶格热导率大幅度降低是微米孔边界对长波声子强烈散射和声子弹道输运的综合体现。 以MQ-SPS快速工艺制备的名义组成为Ba1.4Fe4Sb12的铁基填充方钴矿材料为研究对象,研究了该材料在773K下长时间真空退火过程中其物相组成、显微结构和热电性能的热稳定性。结果发现,材料内部组成和显微结构具有良好的热稳定性,退火30d后内部仍为单相方钴矿,但因Sb挥发其表面分解层的厚度达49μm,通过外推法预测退火1年后,分解层厚度约为130μm。输运性能测量表明,MQ-SPS工艺制备的材料在长时间真空退火过程中表现出良好的热电性能稳定性,退火处理前材料ZT值在800K时为0.61;退火30d后,材料ZT值为0.62,基本无变化。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 卢利平;;日开发出高性能的方钴矿族热电转换材料[J];功能材料信息;2009年03期
2 席丽丽;杨炯;史迅;张文清;陈立东;杨继辉;;填充方钴矿热电材料:从单填到多填[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2011年06期
3 魏平;董春垒;赵文俞;张清杰;;纳米SiO_2包覆提高填充方钴矿热电材料热稳定性[J];无机材料学报;2010年06期
4 ;填充方钴矿热电材料的研究进展[J];科学通报;2011年19期
5 吴汀;柏胜强;史迅;陈立东;;高填充量Ba_xEu_yCo_4Sb_(12)方钴矿热电性能研究(英文)[J];无机材料学报;2013年02期
6 万俊霞;赵雪盈;李小亚;季诚昌;陈立东;;退火时间对铕填充式方钴矿化合物热电性能的影响[J];硅酸盐学报;2009年03期
7 丁娟;刘睿恒;顾辉;陈立东;;Yb_yCo_4Sb_(12)/Yb_2O_3热电复合材料的高温稳定性研究[J];无机材料学报;2014年02期
8 秦丙克;李小雷;李尚升;宿太超;马红安;贾晓鹏;;Ba填充方钴矿化合物的高压合成及热电性能[J];无机材料学报;2010年01期
9 艾子萍,刘宏;方钴矿(NaFe_4P_(12))-聚苯胺复合材料的制备及复合过程的研究[J];复合材料学报;2004年02期
10 宋新莉;杨君友;张同俊;彭江英;朱文;;填充方钴矿类热电材料的研究进展[J];材料导报;2004年06期
11 苏贤礼;唐新峰;李涵;邓书康;;Ga填充n型方钴矿化合物的结构及热电性能[J];物理学报;2008年10期
12 姜一平;贾晓鹏;马红安;邓乐;郑世钊;;压力对CoSb_(2.750)Te_xGe_(0.250-x) n型方钴矿化合物的电输运性能的影响[J];功能材料;2010年09期
13 姜一平;贾晓鹏;马红安;邓乐;郑世钊;;压力对稀土元素Sm填充方钴矿化合物热电性能的影响[J];北华大学学报(自然科学版);2011年05期
14 姜一平;贾晓鹏;马红安;宿太超;董楠;邓乐;;高压合成La填充型CoSb_3方钴矿热电材料及其电输运性能[J];高压物理学报;2009年02期
15 周龙;李涵;苏贤礼;唐新峰;;In掺杂对n型方钴矿化合物的微结构及热电性能的影响规律[J];物理学报;2010年10期
16 杨帆;刘立炳;王自昱;;CoSb3基方钴矿热电材料及其热电性能优化研究[J];汽车工艺与材料;2014年01期
17 刘桃香;唐新峰;邓书康;宋晨;张清杰;;Ca和Sm双原子共填充方钴矿化合物的制备及热电性能[J];无机材料学报;2008年04期
18 王作成;李涵;苏贤礼;唐新峰;;In_(0.3)Co_4Sb_(12-x)Se_x方钴矿热电材料的制备和热电性能[J];物理学报;2011年02期
19 谭刚健;鄢永高;李涵;苏贤礼;唐新峰;;熔融旋甩制备Ce_(0.8)Fe_(4-x)Ni_xSb_(12)方钴矿的热电性能研究[J];功能材料;2011年05期
20 柳洋;任国仲;宿太超;马红安;邓乐;姜一平;郑世钊;林乐静;秦丙克;贾晓鹏;;Ba_(0.32)Co_4Sb_(12-x)Te_x的高压合成及其电学性质[J];材料研究学报;2010年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周丽娜;史迅;陈立东;;p型方钴矿热电材料的制备及性能研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
2 李小亚;;填充方钴矿热电发电器件设计集成技术研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
3 唐云山;李小亚;夏绪贵;廖锦城;陈立东;;填充方钴矿热电材料热服役行为研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
4 田永君;;填充型方钴矿热电材料的高压合成[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
5 董洪亮;李小亚;陈立东;夏绪贵;宋君强;江莞;;方钴矿热电材料表面保护涂层[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
6 崔洪梅;刘宏;李霞;李红霞;王继扬;;方钴矿纳米螺旋的合成与表征[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
7 魏平;赵文俞;张清杰;余健;周华;;特殊结构填充方钴矿热电材料的快速制备和热电性能[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
8 柏胜强;吴汀;史迅;陈立东;;Ba_xEu_yCo_4Sb_(12)双原子填充方钴矿的制备与热电性能[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
9 刘睿恒;杨炯;张文清;陈立东;杨继辉;;Ni掺杂对填充方钴矿材料价带结构的影响[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
10 夏绪贵;陈立东;李小亚;黄向阳;;磁控溅射Mo/Si/SiO2封装薄膜提高方钴矿材料的稳定性[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 魏平;钡铟双原子填充方钴矿热电材料的电子结构与电热输运性能[D];武汉理工大学;2012年
2 阮中尉;方钴矿热电材料的疲劳行为的试验研究[D];武汉理工大学;2012年
3 余健;填充方钴矿热电材料的非平衡制备和结构与热电性能调控[D];武汉理工大学;2014年
4 段波;碲掺杂方钴矿基材料热电性能及力学性能优化的研究[D];武汉理工大学;2012年
5 文鹏飞;热、力载荷对方钴矿基热电材料结构与性能的影响[D];武汉理工大学;2013年
6 糜建立;方钴矿基热电材料的纳米化及热电性能[D];浙江大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丁世杰;碲硒掺杂方钴矿高温力学性能及服役行为研究[D];武汉理工大学;2014年
2 余健;p型钡铟双填充方钴矿材料的制备和热电性能[D];武汉理工大学;2012年
3 黄立峰;第二相引入对方钴矿热电性能的影响[D];武汉理工大学;2010年
4 徐成龙;掺杂方钴矿基材料热电性能及力学性能的研究[D];武汉理工大学;2014年
5 陈玉立;非水共沉淀法制备纳米方钴矿化合物的研究[D];武汉理工大学;2008年
6 谢作星;方钴矿热电化合物X射线吸收精细结构模拟计算[D];武汉理工大学;2014年
7 徐荆舒;p型方钴矿基热电材料的混合稀土填充及性能优化[D];浙江大学;2014年
8 程洪;p型Sb位锗锡掺杂方钴矿材料的制备和热电性能[D];武汉理工大学;2014年
9 罗沛兰;方钴矿基热电材料的热电性能[D];南昌大学;2009年
10 王作成;In和RE/AE双原子复合填充n型方钴矿化合物的制备及热电性能[D];武汉理工大学;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978