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纳米/微米复合热电材料热电与力学性能研究

梅红  
【摘要】: 近年来,通过纳米技术制备的纳米复合结构热电材料,在提高热电材料ZT值以及力学性能方面有着光明的前景。其中最具有应用前景的中温热电材料CoSb3是热电材料研究的热点。本论文采用P型热电材料CoSb3作为基体,两种不同的纳米颗粒(纳米α-Al2O3,单壁碳纳米管)分别作为夹杂第二相,利用固相反应、球磨混合以及SPS烧结工艺制备出纳米颗粒分散均匀,致密度较好的纳米/微米复合热电材料,重点研究这两种不同的纳米颗粒对CoSb3热电材料热电与力学性能的影响。 对于纳米α-Al2O3掺杂P型CoSb3复合材料而言,当纳米颗粒的含量为0.6wt%时,气孔率相比无掺杂材料有所减小。少量的纳米颗粒可充分填充到微米CoSb3颗粒之间的空隙中,使致密度得到提高。热电测试结果显示:与无掺杂材料相比,随着纳米α-Al2O3含量的增加,复合热电材料电导率降低,Seebeck系数增大,热导率大幅度降低,而ZT值基本保持不变。力学测试结果表明:由于纳米α-Al2O3的掺入,诱发了穿晶断裂。材料的破坏机制由纯CoSb3的沿晶断裂改变为穿晶断裂,大幅度提高材料的机械强度,但对模量几乎没有影响。当纳米α--Al2O3的含量达到1wt%时,材料抗压缩强度和抗弯强度最大,分别达到了632.67Mpa和179.70Mpa,相对无掺杂而言分别提高了42.7%和52.0%。 在P型CoSb3中掺杂少量单壁碳纳米管(SCNT),由于碳纳米管呈纤维丝状,混合难度加大,致密度大大降低。同时球磨混合过程中材料极易被氧化,少量的SCNT掺杂导致P型CoSb3转变成N型,电导明显降低。而当SCNT含量为3wt%时,复合材料在高温时却有N-P型转变。SCNT的掺杂导致复合材料热导率大幅度降低。当掺杂量仅为1wt%时,相比无掺杂材料其室温下的热导率下降了34%。因此少量SCNT掺杂使得复合材料ZT值略有降低,但影响不大。由于碳纳米管具有极好的力学性能,少量的掺杂致使纤维丝状的SCNT包裹着CoSb3颗粒,有助于提高CoSb3的断裂韧性。当SCNT含量为0.5wt%时,复合材料断裂韧性达到最大1.7MPa*m1/2,相对无掺杂材料而言有13%左右的提高。 在基体热电材料CoSb3中掺杂少量的纳米颗粒,在不影响热电性能的前提下,能够有效提高其机械强度。不过本论文中的实验制备工艺还有待改善,以获得热电性能与力学性能更好的纳米/微米复合热电材料。


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