Bi_2Te_3/CoSb_3梯度热电材料的设计、制备和性能研究

【摘要】： 热电材料是一种能够实现热能和电能之间相互转换的新型能源材料。在热电材料研究的过程中，梯度材料概念的引入可以使热电材料的性能与使用温度得到最佳匹配，同时，可望使热电系统的转换效率得到大幅度提高。 本论文首先对采用固相反应和熔融法制备的CoSb_3和Bi_2Te_3粉末进行放电等离子烧结，制备了均质CoSb_3和Bi_2Te_3块体材料。采用SEM对烧结体内部的微观结构进行了研究。均质材料CoSb_3和Bi_2Te_3的电导率和Seebeck系数采用标准四端子法于He气氛下在ZEM-1上同时进行测量；热导率采用激光微扰法(TC-7000)于真空状态下进行测量；其次，在对均质材料CoSb_3和Bi_2Te_3热电传输特性研究的基础上，对结构梯度Bi_2Te_3／CoSb_3热电材料的界面温度进行了优化；为了使结构梯度Bi_2Te_3／CoSb_3热电材料在300K至800K的温度范围内具有最佳的热电性能，本研究同时对梯度结构热电材料当中均质材料CoSb_3和Bi_2Te_3材料的长度进行了优化设计；第三，通过两步放电等离子烧结的方法制备出了结构梯度Bi_2Te_3／CoSb_3热电材料；采用理论计算的方法研究了梯度结构热电材料平均Seebeck系数和温度的关系；同时为了验证设计的结果，本论文对结构梯度Bi_2Te_3／CoSb_3热电材料的开路输出电压和热端温度之间的关系及梯度材料在300K至800K的温度范围内使用时的功率输出进行了相应的研究。 研究的结果发现：在室温至450K的温度范围内，Bi_2Te_3表现出较高的热电性能指数，随着温度的进一步升高Bi_2Te_3的性能急剧恶化；当温度高于500K时，均质材料CoSb_3表现出较Bi_2Te_3高的热电性能指数，因此，可以通过对其进行结构梯度化设计来获得在一个较宽的温度范围内具有较高性能指数梯度结构Bi_2Te_3／CoSb_3热电材料；同时通过对均质材料的性能指数与温度的关系研究得出均质材料CoSb_3和Bi_2Te_3最佳的界面结合温度约为500K；当梯度结构Bi_2Te_3／CoSb_3热电材料在300K至800K的温度范围使用时，对梯度热电材料中均质材料CoSb_3和Bi_2Te_3的长度比进行了优化设计，设计的结果表明：最佳的CoSb_3和Bi_2Te_3的长度比约为 武汉理工大学硕士学位论文 巧:2;采用分步放电等离子烧结的方法制备出了二元结构梯度 BiZTe3/C osb3热电材料;通过对结构梯度BiZTe3/Cosb3热电材料的平均 Seebeck系数的计算表明:梯度材料相对于均质材料其平均Seebeek系数 在一个较宽的温度范围内的具有较高的数值，几乎为一恒定值。 通过对结构梯度BiZTe3/Cosb3热电材料开路电压与热端温度的关系 及梯度热电材料在300K至800K的温度范围使用时的功率输出研究结果 表明:在均质材料Cosb3和BiZTe3的长度比为巧:2时，梯度结构 BiZTe3/c。sb:热电材料具有最大的开路电压输出和功率输出;梯度热电材 料BiZTe3/cosb3在外界负载为0.IQ时的功率输出约为32owm“，约为均 质材料cosb3功率输出1 78wm一2的1 .8倍。相同的条件下，结构梯度热电 材料的功率输出相对于均质材料Cosb3都有较大程度的提高