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Ba填充型和Se置换型Skutterudite热电材料的高压合成及热电性能

作　者: 秦丙克
导　师: 贾晓鹏
学　校: 河南理工大学
专　业: 材料学
关键词: 热电材料 方钴矿 高压合成 Ba填充 Se置换
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 23次
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内容摘要


热电材料是一种能够把热能和电能直接相互转换的功能材料。方钴矿（CoSb3）类热电材料,由于具有相对较大的载流子迁移率和较高的Seebeck系数及较低的电阻率,近十多年来倍受人们的广泛关注。但是同时方钴矿类热电材料具有相对较高的热导率,使得其商业化应用受到很大限制。本研究利用高压固相反应方法,系统的研究了Ba填充和Se置换对CoSb3热电性能的影响。实验原料采用高纯的Co粉、Sb粉、Se粉做为原料。Ba填充CoSb3热电材料,采用BaN6作为Ba源。分别按化学式（BaN6）xCo4Sb12 （x= 0.1～0.8）和Co4Sb12-xSex （x= 0.05～2）的化学计量比进行称重配比均匀混合。实验在不同压力下利用高压固相反应法制备出样品。采用X光衍射分析确定了样品的物相,采用扫描电子显微分析获得了样品微观形貌结构。样品热电性能测试:电阻率测试采用直流四探针法,Seebeck系数采用经过校正自制的Seebeck系数测试仪。部分BaxCo4Sb12样品进行了热导率的测试。测试分析表明:高压固相反应法合成了具有单相CoSb3结构的多晶体Ba填充型样品BaxCo4Sb12和Se置换样品Co4Sb12-xSex。高压合成样品BaxCo4Sb12为N型热电半导体,具有微米级的微气孔和细小的晶粒结构;样品具有很低的热导率,在633K时样品Ba0.372Co4Sb12获得最低热导率为1.25 W/（mK）。样品的ZT值随测试温度的上升而上升,合成压力为4.25GPa,Ba0.372Co4Sb12获得最大的ZT值1.01。高压合成样品Co4Sb12-xSex同样具有细晶结构,随着Se置换浓度的增大,样品载流子类型逐渐由P型过渡为N型。Se置换CoSb3样品具有较高的Seebeck系数,同时其电阻率也很大。当置换浓度x=1.2时,Seebeck系数最大绝对值为501.59μV/K。样品Co4Sb11.9Se0.1获得最大的功率因子为3.77μW·cm-1·K-2。

全文目录


致谢  4-6
摘要  6-7
Abstract  7-8
目录  8-11
1 绪论  11-41
  1.1 热电材料的研究背景及意义  11-12
  1.2 热电材料的研究简史  12-15
  1.3 热电效应及热电器件工作原理  15-22
    1.3.1 热电效应  15-17
    1.3.2 热电器件工作原理  17-22
  1.4 热电材料的种类  22-30
    1.4.1 热电材料按最佳工作温度范围分类  22-23
    1.4.2 热电材料按结构组成分类  23-30
  1.5 热电材料性能的决定因素及提高途径  30-35
    1.5.1 载流子浓度的影响  30-32
    1.5.2 B 因子的影响  32
    1.5.3 降低晶格热导率κp 来增大B 因子  32-33
    1.5.4 提高材料载流子的迁移率  33-35
  1.6 热电材料研究的意义及最新进展  35-37
  1.7 论文选题和研究目的  37-38
  1.8 本论文研究的主要内容及梗概  38-41
2 热电材料高压合成技术  41-55
  2.1 常压合成方法  41-44
    2.1.1 粉末冶金法  41
    2.1.2 熔铸法  41-42
    2.1.3 机械合金化法  42
    2.1.4 水热合成技术  42-43
    2.1.5 真空镀膜法  43-44
  2.2 高压合成技术  44-52
    2.2.1 高压合成装置六面顶压机  44-46
    2.2.2 压力的控制系统  46-48
    2.2.3 温度测量控制系统  48-51
    2.2.4 传压介质的选择  51-52
  2.3 高压固相反应法的优点  52-55
3 热电材料性能测试与表征  55-63
  3.1 热电材料的结构表征  55
    3.1.1 样品的X 射线衍射分析  55
    3.1.2 样品的微观结构分析  55
  3.2 热电材料的电学测试技术  55-59
    3.2.1 电阻率的测量技术  56-58
    3.2.2 Seebeck 系数的测量技术  58-59
  3.3 高温热导率的测量技术  59-63
4 高压合成钡填充方钴矿的研究  63-81
  4.1 引言  63-65
  4.2 Ba 填充型方钴矿化合物CoSb3 的高压合成  65-66
    4.2.1 样品BaxCo4Sb12 的制备过程  65-66
    4.2.2 样品BaxCo4Sb12 的实验合成工艺  66
  4.3 样品BaxCo4Sb12 的结构表征  66-69
    4.3.1 样品BaxCo4Sb12 的X 射线衍射（XRD）图谱  66-67
    4.3.2 样品BaxCo4Sb12 的显微结构  67-69
  4.4 高压固相反应法合成Ba 填充CoSb3 的室温热电性能  69-72
    4.4.1 样品BaxCo4Sb12 的Seebeck 系数与Ba 填充含量关系  69-70
    4.4.2 样品BaxCo4Sb12 电阻率与Ba 填充含量的关系  70-71
    4.4.3 样品BaxCo4Sb12 功率因子与Ba 填充含量的关系  71-72
  4.5 高压合成样品BaxCo4Sb12 的变温热电性能  72-78
    4.5.1 样品BaxCo4Sb12 的Seebeck 系数与温度的变化关系  73
    4.5.2 样品BaxCo4Sb12 的电阻率与温度的变化关系  73-74
    4.5.3 样品BaxCo4Sb12 的功率因子与温度的变化关系  74-75
    4.5.4 样品BaxCo4Sb12 的热导率与温度的变化关系  75-77
    4.5.5 样品BaxCo4Sb12 的ZT 值与温度的变化关系  77-78
  4.6 小结  78-81
5 硒置换方钴矿的高压合成及热电性能研究  81-91
  5.1 引言  81
  5.2 样品的合成与结构表征  81-84
    5.2.1 实验过程  81-82
    5.2.2 样品结构与表征  82-84
  5.3 高压合成样品Co_4Sb_(12-x)Se_x 的电学输运性能  84-89
    5.3.1 样品Co_4Sb_(12-x)Se_x 的Seebeck 系数随Se 置换浓度的变化  84-86
    5.3.2 高压合成Co_4Sb_(12-x)Se_x 的电阻率随Se 置换浓度的变化  86-88
    5.3.3 高压合成Co_4Sb_(12-x)Se_x 的功率因子随Se 置换浓度的变化  88-89
  5.4 小结  89-91
6 结论与展望  91-95
  6.1 结论  91-92
  6.2 展望  92-95
参考文献  95-103
作者简历  103-105
学位论文数据集  105

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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