ZnO基热电材料的制备及其性能研究

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热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转换的功能材料,在温差发电和热电制冷等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。近年来,由于ZnO基化合物的高熔点、高化学稳定性以及高的电导率和Seebeck系数,已经成为一种很有发展前景的高温氧化物热电材料。本文以ZnO基热电材料为研究对象,采用溶胶-凝胶法(Sol-gel)制备了ZnO基化合物的前驱粉体,然后用热压烧结法制备出ZnO基块体材料。通过XRD、SEM等对所制样品的物相组成、显微组织进行分析,通过测试样品的电导率、Seebeck系数和功率因子进行材料热电性能的分析。利用均匀试验和正交试验结果分析了热压烧结工艺对材料热电性能的影响规律,找出了较佳的工艺为:烧结温度920℃、成型压力2.7MPa、保温时间40min。试样的SEM分析表明,试样的致密度较低,含有大量的孔洞,这种结构有利于降低材料的热导率,从而提高其热电性能。为了改善材料的热电性能,对ZnO进行了Al、In、Ce、Y和Al-Ce的掺杂研究。实验结果表明,除了Y掺杂外,其它几种元素掺杂都对材料的热电性能有较大的影响,不同程度地改善了材料的热电性能,且表现出—最佳掺杂量。在500℃~900℃之间,对试样的电导率和Seebeck系数进行了测试分析,结果表明,试样的电导率随着温度的升高而增大,随着元素掺杂浓度的增大而增大。试样的Seebeck系数均表现为负值,Seebeck系数的绝对值大致随着温度的升高而增大,随着元素掺杂浓度的增大而减小。对于电导率,Al-Ce共掺杂的试样拥有最大的电导率值,其范围在11.5~40.0Ω-1cm-1之间,Y掺杂的试样电导率值最小,其范围在4.2~16.4Ω-1cm-1之间。对于Seebeck系数,In掺杂试样的Seebeck系数绝对值最大,其范围在-164~-397μVK-1。之间,Al-Ce共掺杂试样的Seebeck系数绝对值最小,其范围在-68~-156μVK-1之间。在全部掺杂试样中,In掺杂量为2mol%的试样在900℃下对应的功率因子值最大,为3.1×10-4Wm-1K-2
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