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新型三氧化钨基陶瓷的热电性能研究

董翔  
【摘要】:热电材料可以利用自身内部载流子的运动来达到热能和电能相互转换的目的。它是一种新能源材料,而且对环境的压力较小,符合现代新能源材料的发展趋势。当材料的两端温度不一样时,材料中会产生电势差。这种热电转换效应是可逆的,故热电材料比较适合用作热能发电以及制冷装置。而且热电材料还具有无噪音,体积小,无污染,精确可靠,寿命长等一系列优点,其应用范围涉及微电子领域,航空航天,日常生活等许多领域。WO_3作为一种十分重要的高技术原材料,已经在许多领域里表现出了很大的应用价值,比如电致变色、光降解催化、有毒气体探测和低压压敏电阻器等。而且钨在我国的储量位居全球第一,是一种十分重要的战略资源。因此,系统研究钨基氧化物的各种性质,探索其在各个领域的潜在应用价值,深层次的开发利用我国特有的这种资源优势,具有十分重要的现实意义。第1章介绍了热电材料的发展历史以及研究现状,对WO_3陶瓷的物理化学性质和研究现状也给予了综述。阐述了本文的研究思路和研究背景,并对本文的研究内容进行了概括。第2章对本文所用到的实验方法、实验仪器、表征方法进行了介绍。详细介绍了我们的陶瓷制备过程,以及制备过程中所使用到的各种型号仪器。对陶瓷的微观结构表征方法以及各种测试陶瓷热电性能相关的方法和仪器进行了说明。最后列出了实验过程中所使用到的各种主要原料和试剂。第3章对纯WO_3陶瓷的微观结构和热电性能进行了分析和研究。研究结果发现WO_3的晶粒大小跟烧结温度有关,较高的烧结温度能促进WO_3晶粒的生长。实验数据显示WO_3陶瓷的最佳烧结温度为1100℃,这个温度下烧结出的WO_3陶瓷具有相对最好的致密度,最高的Seebeck系数和功率因子。用理论分析了氧分压对WO_3陶瓷微观结构和性能的影响,研究了WO_3陶瓷在不同气氛烧结下的氧空位浓度、微观结构和热电性能,实验结果证明我们的理论分析是正确的。真空和氮气气氛烧结出的WO_3陶瓷的热电功率因子要比氧气和空气烧结出的样品好。这主要是因为真空和氮气条件下,WO_3陶瓷内具有大量的氧空位,能够为WO_3导带提供大量的电子,从而使得它们烧结出的样品具有相对很高的电导率。测得了1100℃,空气中烧结的WO_3陶瓷的ZT值,结果显示其ZT值随着温度的升高而不断增大,在973K时的ZT值为0.000078。第4章用手工研磨的方法对铁系金属氧化物掺杂后的WO_3陶瓷的微观结构和热电性能进行了分析和测试。Fe_2O_3、Co_2O_3和NiO掺杂WO_3陶瓷后,微观结构上分别生成了第二相FeWO_4、NiWO_4。这些第二相的生成主要是因为这3种金属氧化物的浓度超过了其在WO_3中的溶解度,进而与WO_3产生了化学反应。3种铁系金属氧化物掺杂后的WO_3陶瓷的功率因子都得到了提高。与Fe2O3和Co2O3的掺杂相比,NiO掺杂WO_3陶瓷的样品效果最好。当NiO掺杂浓度为1.0 mo1%时,WO_3陶瓷的电导率提高最为明显,此样品在1023K时的功率因子也是3种铁系金属氧化物掺杂中最大的。测得了1.0 mol%NiO掺杂WO_3陶瓷的热导率,并计算出了其ZT值。第5章用机械球磨法对WO_3陶瓷进行了La_2O_3、SnO_2和CuO三种金属氧化物的掺杂,测试和分析了它们的微观结构和热电性能。首先用机械球磨的方法制备了1.0 mol%NiO掺杂WO_3陶瓷样品,与上一章中手工研磨法相比较,说明了两种研磨方法对材料微观结构和热电性能的影响。其次用机械球磨法制备出了La_2O_3、SnO_2和CuO掺杂的WO_3陶瓷样品,这些样品与手工研磨的相比,粉粒普遍更细、更均匀,晶粒尺寸更小。La_2O_3的掺杂提高了WO_3陶瓷的电导率,但同时降低了WO_3陶瓷的Seebeck系数绝对值。不同浓度的La_2O_3掺杂使得WO_3陶瓷的功率因子差异很大。当La_2O_3掺杂浓度为0.5 mo1%时,功率因子最大。SnO_2的掺杂抑制了WO_3陶瓷晶粒的生长,当SnO_2掺杂浓度大于5.0 mol%时,其会以杂质相的形式存在于WO_3陶瓷晶体之间。SnO_2自身所具备的良好的热电性能也极大的改善了SnO_2掺杂后的WO_3陶瓷的热电性能。CuO的掺杂使得WO_3陶瓷的晶粒变大。当CuO掺杂浓度为1.0 mo1%时,WO_3陶瓷具有相对最大的功率因子。同时对其进行了热导率的测量,计算得其ZT值在973K时为0.021,是WO_3基陶瓷到目前为止发现的最高ZT值。


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