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掺杂方钴矿基材料热电性能及力学性能的研究

徐成龙  
【摘要】:第三次工业革命以来,越来越多的地方需要应用能源,没有能源消耗人们寸步难行,使得传统能源(煤炭,天然气,原油等)面临枯竭危险,能源作为经济增长的基础,供需矛盾日渐严重,能源问题越来越被人们所关注。与此同时,由于矿石燃料的开采利用,产生了大量一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等有污染的烟气,造成了严重的环境问题。热电材料作为一种无污染材料,在废热回收利用以及热电致冷领域有着巨大的应用潜能。 本论文围绕改善Ni-Te-Se掺杂方钴矿基热电材料的热电性能展开研究,采用固相反应结合放电等离子烧结技术,制备Ni-Te-Se共掺杂和Te-Se共掺杂方钴矿材料,系统研究Ni-Te-Se对CoSb3基方钴矿材料的微结构和热电性能的影响规律,以期达到降低材料热导率和提高热电优值的目的。另外方钴矿器件中与电极接触处的热电材料易产生裂纹,严重影响器件的机械可靠性,本文通过引入异质TiN纳米颗粒,制备微纳复合材料,探索纳米颗粒的引入对材料热电性能和力学性能的影响及规律。主要研究内容和结果如下: 研究了Ni-Te-Se共掺杂方钴矿材料的微观结构及热电性能。结果显示,所有样品的晶粒尺寸在1—10μm范围内,分布基本均匀。晶粒尺寸随Ni含量的增加并无明显的变化,少量Ni元素的加入对样品本身晶粒没有太大的影响。适量的Ni掺杂能够提高电性能,同时降低热导率,进一步提高Te-Se共掺杂CoSb3基材料的热电性能。 研究了Co4Sb11.3Te0.58Se0.12+x vol%TiN(x=0,0,50.1)复合材料SPS后的力学性能。结构表明,纳米材料TiN在基体材料晶体界面上分布相对均匀,部分TiN纳米颗粒团聚在一起形成纳米团簇。进行了纳米复合的方钴矿基材料压缩强度提高了15%。热处理后的样品平均压缩强度有明显的下降。纳米复合后的样品疲劳性能显著增加。对试样疲劳破坏的断口观察知,方钴矿材料疲劳破坏的一般沿晶体界面断裂,属于典型的脆性断裂破坏。


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