CoSb3基热电材料界面调控及其性能研究

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热电材料作为一种能够实现热能与电能之间相互转换的功能材料,被认为是21世纪最具潜力的能源替代介质之一。填充方钴矿具有优异的Seebeck系数和电导率,又具有较低的热导率,使得其在中温区间具有远大应用前景。虽然双填和多填方钴矿的热电性能在近年来取得了显著的提高,但由于其性能不稳定性、实验可重复性差等原因,目前仅有单填方钴矿投入实际应用中。近年来,随着结构低维化和复合纳米结构相关理论的提出以及研究的白热化,研究者们将提升热电性能的主要工艺方法放在了引入纳米结构上。纳米结构的引入,能够与基体之间产生界面效应,在提高Seebeck系数和电导率的同时,又能调控晶格热导率,达到提升材料热电性能的目的。  本文将纳米结构的Ag、Ni和TiO2分别引入基体Yb0.35Co4Sb12中,制备出具有低维结构的纳米复合材料。引入第二相纳米结构,对微观界面进行调控,能够在提高Seebeck系数和电导率的同时,调节基体的热导率,达到提高Yb0.35Co4Sb12材料ZT值的目的。本文采用“熔融—退火”结合研磨的方法得到尺寸适宜的基体 Yb0.35Co4Sb12粉体,再通过化学镀或化学包覆的方法将Ag、Ni和TiO2纳米颗粒附着在粉体表面,最后结合 SPS 快速烧结的方法得到具有低维结构的纳米复合材料,对基体界面实现了有效的调控。主要研究内容如下:  (1)采用化学镀Ag的方法将Ag纳米颗粒引入到基体粉体的表面,再结合SPS快速烧结得到了含有第二相Ag纳米颗粒的复合热电材料Ag/ Yb0.35Co4Sb12。研究了样品的物相组成、形貌结构及晶粒尺寸等,测试了Seebeck系数、电导率、热导率和霍尔系数等,并对热电性能进行了分析和讨论。结果表明:Ag 纳米颗粒的引入能够与基体之间形成界面,产生界面效应,有效的调节了Seebeck系数和晶格热导率,同时能够提高电导率,有效优化了材料的热电性能;特别是当化学镀Ag处理时间为10 min时,此时的Ag含量适宜,样品在603 K时ZT达到了1.02,相较于基体提高了约31%;最值得关注的是,样品在400 K以上的温度区间内,热电优值ZT保持在0.8以上,该结果对热电材料的实际应用非常有利。  (2)制备含有第二相 Ni 纳米颗粒的复合热电材料 Ni/Yb0.35Co4Sb12,Ni 纳米颗粒是采用化学镀 Ni的方法引入到基体粉体的表面,再结合 SPS 快速烧结得到。对样品的物相组成、形貌结构及晶粒尺寸等进行了研究,测试了复合材料和基体的Seebeck 系数、电导率和热导率等性能参数,并对热电性能进行了分析讨论。结果表明:第二相Ni纳米颗粒的引入与基体之间形成界面,产生界面效应,Seebeck系数和晶格热导率都得到了有效的调节,同时电导率也提高,有效优化了材料的热电性能;随着化学镀Ni时间的增加,复合材料中的Ni含量提高,当处理时间为12 min时,Ni的含量为0.531 wt%,ZT值在800 K时为0.97,较于基体提高了51.5%。  (3)采用化学包覆TiO2的方法将TiO2纳米颗粒引入到基体粉体的表面,结合SPS快速烧结得到了含有第二相TiO2纳米颗粒的复合热电材料TiO2/ Yb0.35Co4Sb12。论文对样品的物相组成、形貌结构及晶粒尺寸等进行了研究,测试了Seebeck系数、电导率和热导率等等热电性能参数,并做了相关分析和讨论。结果表明:TiO2纳米颗粒的引入能够与基体之间形成界面,产生界面效应,有效的调节了Seebeck系数和热导率,但同时由于其在低温区间表现为绝缘体,使得复合材料的电导率恶化明显,最终没有达到提高热电性能的目的。
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