InGaO3(ZnO)m陶瓷的制备及其热电性能研究

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全球工业化进程的加快使得能源、环境等问题成为了人类不可忽视的问题。热电转化作为一种绿色且安全的能源转换技术受到越来越多研究者的关注。氧化物材料在高温条件下具有良好的化学稳定性和热稳定性,合成工艺简单,使用安全可靠,无毒无污染。InGaO3(ZnO)m氧化物陶瓷是一类有潜力的高温区n型氧化物热电材料,具有层状结构和较低的热导率。本文以InGaO3(ZnO)m作为研究对象,通过固相反应法结合放电等离子烧结(SPS)技术制备出不同m值的InGaO3(ZnO)m样品,并研究了其热电性能及力学性质,发现其在奇数m值和偶数m值下对应着不同趋势的规律。m=1时获得了较其他四个样品优异的电导率,并在973 K下取得最大的ZT值为0.02。选取m=1的InGaO3(ZnO)m陶瓷样品作为基体材料,通过真空退火、掺杂以及调整化学计量比的方法对其热电性能进行了优化。700℃条件下对InGaO3(ZnO)陶瓷样品进行真空退火处理48h、72h及96h,退火过程中产生的氧空位缺陷使得材料的性能得到了优化,最大的ZT在真空退火96小时后,测试温度为973K时取得,为0.45。添加烧结助剂LaF3进一步提升InGaO3(ZnO)的热电性能。研究发现:掺入的LaF3一部分作为烧结助剂形成液相烧结,一部分La取代了In的位置,使得其电导率上升且热导率降低,最终在掺入3.0 wt%LaF3时获得了最大的ZT值为0.32(973 K)。采用相同的工艺制备了非化学计量比样品InGaO3(ZnO)0.95和InGaO3(ZnO)1.05,并与正常化学计量比的样品比较。由于材料内部结构存在缺陷而引起其性能改变,其中最大的功率因子在InGaO3(ZnO)1.05时取得,为43.17μWm-1K-2;最大的热电优值ZT在973K下,InGaO3(ZnO)0.95中取得,为0.02。由此可见,真空退火是优化氧化物陶瓷热电性能较好的手段。
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