掺杂的CdO和Sm,Ni,Fe共掺杂Ca3Co4O9热电性能的研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jovin_chow
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利用固体内部载流子的运动实现电能与热能直接相互转变的材料称之为热电材料。本文综合评述了热电材料的研究现状以及热电材料的基本理论知识,详细介绍了氧化物热电材料的研究与发展现状。论文工作主要研究了CdO基氧化物和Sm、Ni、Fe共掺杂的Ca3Co4O9+δ热电材料的合成与性能表征,分析了反应条件、掺杂量等对材料性能的影响,并详细阐述了各影响因素对材料性能的影响机理。  本文采用固相反应烧结法制备Cd1-xSmxO和Cd1-xYxO材料并测试其热电性能;利用自蔓延法制备Sm、Ni、Fe共掺杂的Ca2.95Sm0.05 Co3.995-xNi0.005FexO9+δ材料并测试了其热电性能。对所得样品进行了X射线衍射分析(XRD)和扫描电镜分析(SEM),研究了掺杂量的变化对两种体系热电材料性能的影响。论文的主要研究成果如下:  (1)采用固相反应烧结法可以制备出多晶的Cd1-xSmxO(x=0,0.001,0.005,0.01,0.05)和Cd1-xYxO(x=0,0.005,0.01,0.02)氧化物热电材料;利用自蔓延法成功合成Sm,Ni,Fe共掺杂的Ca2.95Sm0.05 Co3.995-xNi0.005FexO9+δ(x=0,0.10,0.15,0.20)粉末,结合粉末冶金工艺制备了其块体材料。  (2)对制备出的Cd1-xSmxO热电材料进行X射线衍射分析可知,Sm3+离子在Cd1-xSmxO中的溶解度极限是很小的,当x=0.05时,就会有Sm2O3相的存在。测试结果显示,随Sm掺入量增大,材料致密度,电阻率和Seebeck系数均下降,但总的热导率随着Sm3+的掺杂而提高。当Sm掺入量x=0.005时,Cd1-xSmxO材料在973K展现出较高的热电性能,功率因子达到较大值6.68×10-4Wm-1K-2,ZT值为0.24。  (3)通过对Cd1-xYxO试样性能测试分析可知,Y元素的掺入使得试样致密度下降。当Y掺入量x=0.01时,电阻率呈现最小值3.3μΩ·m。Seebeck系数随温度升高而升高,且随Y掺入量的增加而减小;热导率随Y3+的掺入增加而增加;当Y掺入量x=0.005时,获得最佳热电性能,在973K时功率因子为2.9×10-3Wm-1K-2,ZT优值达到0.35。  (4)采用自蔓延法制备的Ca2.95Sm0.05Co3.995-xNi0.005FexO9+δ粉末的粒度分布在0.2μm到91.2μm之间,平均粒度23.1μm,较为粗大。其压形数据符合黄培云压形方程。其非线性指数m为2.074;压制模量M为1.86MPa。随温度的升高,材料的电导率和Seebeck系数均提高,但热导率降低。当x=0.1时,Ca2.95Sm0.05Co3.995-xNi0.005FexO9+δ的试样在973K处获得最大的功率因子值P为3.20×10-4Wm-1K-2,ZT值达到了0.13。
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