填充铌酸锶钡陶瓷的热电性质研究

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热电材料可以实现热能和电能直接转换,在半导体电致冷和温差发电领域有广阔应用前景。其性能由热电优值ZT值来衡量,高的ZT值要求材料具有低电阻率的同时具有高塞贝克系数和低热导率。铌酸锶钡具有特殊的钨青铜结构,本征热导率较低。可以在其未充满的A2位填充元素,调控电学性能,进而优化热电性能。本论文的工作主要对铌酸锶钡材料进行碱金属元素、稀土金属元素填充,制备致密的Sr0.70Ba0.30MxNb2O6陶瓷,研究不同烧结方法、不同填充元素、不同填充量等因素对材料热电性能的影响。本论文取得的主要结果如下:一、对铌酸锶钡材料填充碱金属元素:(A)采用固相反应法先空气烧结再还原退火制备填充Li的样品,填充量分别为x=0.01、0.03、0.05、0.08、0.10、0.15、0.20,制备得到单相致密的陶瓷。填充Li后,样品电阻率降低,Seebeck系数绝对值也随之降低。其中Sr0.70Ba0.30Li0.05Nb2O6样品电阻率最低,在1073K温度时PF值达到486μW/K2m。但是填充Li后,样品的热导率略微升高,所以填充样品ZT值提升不大。(B)直接在还原性气体氛围下烧结制备填充Li的样品,PF值相对于先空气烧结再还原退火制备的样品偏低,热电性能没有得到优化。二、对铌酸锶钡材料填充稀土金属元素:(A)填充Yb后,样品电阻率降低,Sr0.70Ba0.30Yb0.10Nb2O6样品的电阻率最低,其PF值达到426 μW/K2m;填充Yb后样品的热导率降低,晶格热导率相对于未填充样品也略低,填充量越大热导率越低,ZT值相对于未填充样品有所提高,Sr0.70Ba0.30Yb0.05Nb2O6样品的ZT值在1073 K时达到0.21。(B)填充Y后,样品电阻率降低,并且填充量越大电阻率越低,Sr0.70Ba0.30Y0.10Nb2O6 样品 PF 值达到 420μW/K2m,1073 K 时Sr0.70Ba0.30Y0.03Nb2O6样品的ZT值达到0.21。(C)填充量相同的情况下,填充Yb、Y稀土元素的样品性能很相近。三、铌酸锶钡材料填充K元素:实验表明,在还原性气体氛围下预烧可以提升最大填充量。在还原性气体氛围下预烧、烧结所得填充K样品的电学性能优于空气烧结再还原退火制备的同填充量的样品。Sr0.70Ba0.30K0.10Nb2O6样品PF值在1073 K时达到528 μW/K2m其ZT值达到0.23。本论文系统地研究了元素填充对铌酸锶钡材料热电性质的影响,结果表明A位填充碱金属元素或稀土金属元素后,材料的电阻率和Seebeck系数绝对值降低,功率因子获得提升。填充碱金属元素后,材料功率因子提升较大,PF值可超过500μW/K2m;而填充稀土金属后功率因子提升较低,最大值约为420μW/K2m。填充量较小时,材料的晶格热导率高于未填充样品,随着填充量增大,晶格热导率降低。填充碱金属元素样品的性能优于填充稀土金属元素样品的性能,最高ZT值达到0.23。
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