發(fā)布時(shí)間：2017-11-02 23:01

  本文關(guān)鍵詞：p型填充式方鈷礦化合物的制備與熱電性能研究

  更多相關(guān)文章： p型填充式方鈷礦化合物 固相反應(yīng) 熔體旋甩 熱電性能

【摘要】：隨著石油、煤、天然氣為代表的化石能源的日益短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的不斷惡化,發(fā)展新型的、環(huán)境友好的、新型可再生能源已迫在眉睫。熱電半導(dǎo)體材料(亦即熱電材料)是一種新型的、環(huán)境友好的新能源材料,其研究和發(fā)展受到了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。自Slack博士曾提出“聲子玻璃-電子晶體”(PGEC)的概念以來(lái),這一概念提供了獨(dú)立調(diào)控三個(gè)熱電參數(shù)的途徑,拓展了熱電材料的研究方向。具有籠狀結(jié)構(gòu)且含重元素的填充式方鈷礦(skutterudite)最早從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了PGEC概念,顯示出較高熱電優(yōu)值,且最佳工作溫區(qū)在600℃左右,非常適合用在汽車(chē)尾氣管將發(fā)動(dòng)機(jī)余熱轉(zhuǎn)換為車(chē)載用電。目前,國(guó)內(nèi)外熱電學(xué)者對(duì)n型填充式方鈷礦材料進(jìn)行了大量且系統(tǒng)的研究,通過(guò)多原子復(fù)合填充,n型填充式方鈷礦化合物的最大熱電優(yōu)值ZT可達(dá)1.7。然而,目前人們對(duì)p型填充式方鈷礦的研究卻相對(duì)較少,最大ZT值一直在1.0左右徘徊。眾所周知,熱電器件需要相匹配的n型和p型材料配對(duì)使用,因此研究和開(kāi)發(fā)高性能的p型方鈷礦材料是該體系獲得實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。本研究以p型填充式方鈷礦化合物為研究對(duì)象,分別采用傳統(tǒng)固相法和自制熔體旋甩法制備化合物NdxFe3Co Sb12和NdxYbyFe3Co Sb12,系統(tǒng)探討了填充原子種類(lèi)及含量對(duì)p型方鈷礦化合物熱電性能的影響規(guī)律;深入研究了產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)對(duì)其熱電性能的影響機(jī)理;著重論述了熔體旋甩工藝對(duì)產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)、形貌及在改善材料熱電性能方面的優(yōu)勢(shì);并最終得到了優(yōu)化的材料組分及較高性能的熱電優(yōu)值。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:(1)采用“熔融-淬火-退火-放電等離子燒結(jié)”方法制備了一元p型填充式方鈷礦化合物NdxFe3Co Sb12(x=0.8,0.85,0.9,0.95,1.0),XRD結(jié)果表明我們制備出的樣品主相均為方鈷礦相,SEM圖像顯示SPS燒結(jié)后的樣品較為致密,可達(dá)理論密度的97%,晶界較為明顯,晶粒尺寸大致在3~5um。熱電性能結(jié)果顯示樣品Nd0.9Fe3Co Sb12在760K時(shí)最大ZT可達(dá)0.8,表明p型一元填充式方鈷礦化合物在中溫區(qū)熱電材料研究方面仍有提升空間。(2)利用自制的熔體旋甩裝置,采用“熔體旋甩結(jié)合放電等離子燒結(jié)”方法超快速合成一元p型填充式方鈷礦化合物NdxFe3Co Sb12(x=0.8,0.85,0.9,0.95,1.0),該技術(shù)大大節(jié)省了產(chǎn)物制備時(shí)間,由原來(lái)的大概7d左右(傳統(tǒng)固相法)直接降至目前的小于3h。通過(guò)微結(jié)構(gòu)分析表明,樣品的均勻性得到了大大的改善、晶粒尺寸也大大降低,由原來(lái)的幾微米(傳統(tǒng)固相法)直接降至幾十納米,這為材料晶格熱導(dǎo)率的大幅度降低提供了極為有利的途徑。此外,與傳統(tǒng)法合成的同一組分樣品相比,雖然其電導(dǎo)率有所下降但是Seebeck系數(shù)卻得到了一定程度的提升,最終樣品的電學(xué)性能仍然得到了較為顯著的提高。結(jié)合材料電熱輸運(yùn)性能,最終x=0.9的樣品Nd0.9Fe3Co Sb12在760K時(shí)ZT達(dá)到了1.0。比用傳統(tǒng)法得到的同一組分的樣品ZT提高了25%。(3)基于熔體旋甩法的優(yōu)勢(shì),繼續(xù)采用“熔體旋甩結(jié)合放電等離子燒結(jié)”方法快速制備p型二元填充式方鈷礦化合物NdxYbyFe3Co Sb12(x=0.3,0.4,0.5,0.6,0.7),XRD物相分析表明我們所制備的樣品確實(shí)為方鈷礦相。通過(guò)掃面電鏡和透射電鏡分析樣品的微結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)有無(wú)數(shù)納米第二相YbSb析出,這些納米析出物對(duì)散射中長(zhǎng)波聲子、降低晶格熱導(dǎo)率提供了額外的機(jī)制。另外,隨著原子填充分?jǐn)?shù)的增加材料電學(xué)性能有所增加,總熱導(dǎo)率有一定程度的降低�？傊�,此方法制備p型二元填充式方鈷礦化合物不僅大大縮短了時(shí)間、降低了合成成本,而且可以大幅度減小晶粒尺寸、降低晶格熱導(dǎo),提高材料綜合熱電性能。最終在760K樣品Nd0.6Yb0.4Fe3CoSb12的最大ZT達(dá)到了1.05,與傳統(tǒng)法制備的同組分二元樣品相比平均ZTave提高了14%。
【關(guān)鍵詞】：p型填充式方鈷礦化合物 固相反應(yīng) 熔體旋甩 熱電性能
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TB34
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-28
• 1.1 熱電效應(yīng)簡(jiǎn)介10-17
• 1.1.1 熱電效應(yīng)及其原理10-13
• 1.1.2 熱電效應(yīng)的應(yīng)用13-15
• 1.1.3 影響材料熱電性能的物理參數(shù)15-17
• 1.2 提高熱電材料性能的途徑17-18
• 1.2.1 提高材料的電學(xué)性能17-18
• 1.2.2 降低材料的熱導(dǎo)率18
• 1.3 熱電材料的最新研究進(jìn)展18-23
• 1.4 填充式方鈷礦化合物的研究進(jìn)展23-26
• 1.4.1 方鈷礦化合物的晶體結(jié)構(gòu)24
• 1.4.2 填充式方鈷礦化合物的熱電傳輸性能24-25
• 1.4.3 提高填充式方鈷礦化合物熱電性能的途徑25-26
• 1.5 填充式方鈷礦化合物目前所存在的問(wèn)題26-27
• 1.6 論文選題的目的和主要內(nèi)容27-28
• 2 研究方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)備28-36
• 2.1 引言28-29
• 2.1.1 方鈷礦化合物的制備方法—傳統(tǒng)固相反應(yīng)法28-29
• 2.1.2 方鈷礦化合物的制備方法—熔體旋甩法29
• 2.2 材料制備設(shè)備29-32
• 2.2.1 手套箱29-30
• 2.2.2 箱式熔融爐30
• 2.2.3 熔體旋甩設(shè)備30-31
• 2.2.4 放電等離子燒結(jié)設(shè)備31-32
• 2.3 材料加工設(shè)備32
• 2.3.1 切割機(jī)32
• 2.4 材料測(cè)試設(shè)備32-36
• 2.4.1 XRD分析32
• 2.4.2 微結(jié)構(gòu)分析32-33
• 2.4.3 電學(xué)性能測(cè)試33
• 2.4.4 熱學(xué)性能測(cè)試33-34
• 2.4.5 Hall系數(shù)測(cè)試34-36
• 3 熔融-淬火-退火-SPS制備p型一元填充方鈷礦Nd_xFe_3CoSb_(12)及其熱電性能的研究36-42
• 3.1 引言36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)36
• 3.3 結(jié)果與討論36-41
• 3.3.1 Nd_xFe_3CoSb_(12)化合物的相組成36-37
• 3.3.2 Nd_xFe_3CoSb_(12)微結(jié)構(gòu)表征37-38
• 3.3.3 Nd_xFe_3CoSb_(12)電輸運(yùn)性能表征38-39
• 3.3.4 Nd_xFe_3CoSb_(12)熱輸運(yùn)性能表征39-40
• 3.3.5 Nd_xFe_3CoSb_(12)無(wú)量綱熱電優(yōu)值ZT40-41
• 3.4 本章小結(jié)41-42
• 4 MS+SPS制備p型一元填充方鈷礦Nd_xFe_3CoSb_(12)及其熱電性能的研究42-50
• 4.1 引言42
• 4.2 實(shí)驗(yàn)42
• 4.3 結(jié)果與討論42-47
• 4.3.1 Nd_xFe_3CoSb_(12)化合物的相組成42-43
• 4.3.2 Nd_xFe_3CoSb_(12)微結(jié)構(gòu)表征43-44
• 4.3.3 Nd_xFe_3CoSb_(12)電輸運(yùn)性能表征44-45
• 4.3.4 Nd_xFe_3CoSb_(12)熱輸運(yùn)性能表征45-46
• 4.3.5 Nd_xFe_3CoSb_(12)無(wú)量綱熱電優(yōu)值ZT46-47
• 4.4 本章小結(jié)47-50
• 5 MS+SPS法制備p型二元填充式方鈷礦Nd_xYb_yFe_3CoSb_(12)及其熱電性能的研究50-60
• 5.1 引言50
• 5.2 實(shí)驗(yàn)50
• 5.3 結(jié)果與討論50-58
• 5.3.1 Nd_xYb_yFe_3CoSb_(12)化合物的相組成和微觀結(jié)構(gòu)分析50-51
• 5.3.2 Nd_xYb_yFe_3CoSb_(12)微結(jié)構(gòu)表征51-53
• 5.3.3 Nd_xYb_yFe_3CoSb_(12)電輸運(yùn)性能表征53-55
• 5.3.4 Nd_xYb_yFe_3CoSb_(12)熱輸運(yùn)性能表征55-57
• 5.3.5 Nd_xYb_yFe_3CoSb_(12)無(wú)量綱熱電優(yōu)值ZT57-58
• 5.4 本章小結(jié)58-60
• 6 結(jié)論60-62
• 致謝62-64
• 參考文獻(xiàn)64-70
• 附錄70
• A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄70

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本文編號(hào)：1133523