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Ca_3Co_4O_9基材料的合成,结构和热电性能研究

南军  
【摘要】: 随着可开发性能源的日益减少,而且由于煤、石油、天然气开采以及加工引起的环境污染(空气污染、酸雨、温室效应等)日趋严重,为此开发清洁的新能源迫在眉睫。热电转换装置尽管目前转换效率比较低,但因为具有结构紧凑、没有移动部件、工作无噪声、使用寿命长、安全不失效、易于自动检修、无污染等优点,从而激起了人们的研究热情。作为热电发电器的核心部分的热电材料自然成为研究的重点,本论文工作以Ca_3Co_4O_9半导体为研究对象,通过不同元素掺杂宋改善它的热电性能,已经取得了良好的效果。 氧化物热电材料的传统制备方法是固相反应法,该方法耗时,球磨时易引入杂质,而且混合不均匀,不利于烧结,难以获得性能优良的热电材料。溶胶-凝胶法则能够克服这些缺点,因此本研究采用它先生成所需的前驱纳米粉,然后通过常压、冷等静压和热压等工艺来制备Ca_3Co_4O_9及其掺杂的化合物。对溶胶-凝胶法的研究发现:溶胶形成温度、凝胶干化温度及干化时间等都是影响干凝胶质量的主要因素。由溶液形成溶胶过程的温度保持在70℃、烘干过程的温度保持在120℃,并且保温12小时,这样就能获得本体系所需的凝胶的最佳质量。将干凝胶在400℃预烧就可以获得性能优良的纳米粉。 采用不同的后续工艺制备最终的热电材料,研究不同工艺对热电性能的影响发现:热压烧结制备出的热电材料最致密,其热电性能也最好;先冷等静压成型后常压烧结方法次之;直接常压烧结法烧出的样品气孔最多,性能也最差。因此,对本体系来说,热压烧结是最好的制备方法。 选用四种元素作为掺杂剂,分别研究了所得材料的显微结构和热电性能。结果显示烧结样品由不同取向的片状颗粒组成,颗粒大小以及颗粒间的气孔数量对样品的电导率和热导率有显著影响,对Seebeck系数影响不大。这四种掺杂剂都不同程度的提高了材料的热电性能,但只有掺La能够很好的改善材料的性能,而且掺杂量不是越大越好,而是表现出有一个最优掺杂的限度。


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