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纳米/微米复合热电材料热电与力学性能研究

作　者: 梅红
导　师: 翟鹏程
学　校: 武汉理工大学
专　业: 固体力学
关键词: P型CoSb3 纳米α-Al2O3 单壁碳纳米管热电性能力学性能
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,通过纳米技术制备的纳米复合结构热电材料,在提高热电材料ZT值以及力学性能方面有着光明的前景。其中最具有应用前景的中温热电材料CoSb3是热电材料研究的热点。本论文采用P型热电材料CoSb3作为基体,两种不同的纳米颗粒(纳米α-Al2O3,单壁碳纳米管)分别作为夹杂第二相,利用固相反应、球磨混合以及SPS烧结工艺制备出纳米颗粒分散均匀,致密度较好的纳米／微米复合热电材料,重点研究这两种不同的纳米颗粒对CoSb3热电材料热电与力学性能的影响。对于纳米α-Al2O3掺杂P型CoSb3复合材料而言,当纳米颗粒的含量为0.6wt%时,气孔率相比无掺杂材料有所减小。少量的纳米颗粒可充分填充到微米CoSb3颗粒之间的空隙中,使致密度得到提高。热电测试结果显示：与无掺杂材料相比,随着纳米α-Al2O3含量的增加,复合热电材料电导率降低,Seebeck系数增大,热导率大幅度降低,而ZT值基本保持不变。力学测试结果表明：由于纳米α-Al2O3的掺入,诱发了穿晶断裂。材料的破坏机制由纯CoSb3的沿晶断裂改变为穿晶断裂,大幅度提高材料的机械强度,但对模量几乎没有影响。当纳米α--Al2O3的含量达到1wt%时,材料抗压缩强度和抗弯强度最大,分别达到了632.67Mpa和179.70Mpa,相对无掺杂而言分别提高了42.7%和52.0%。在P型CoSb3中掺杂少量单壁碳纳米管(SCNT),由于碳纳米管呈纤维丝状,混合难度加大,致密度大大降低。同时球磨混合过程中材料极易被氧化,少量的SCNT掺杂导致P型CoSb3转变成N型,电导明显降低。而当SCNT含量为3wt%时,复合材料在高温时却有N-P型转变。SCNT的掺杂导致复合材料热导率大幅度降低。当掺杂量仅为1wt%时,相比无掺杂材料其室温下的热导率下降了34%。因此少量SCNT掺杂使得复合材料ZT值略有降低,但影响不大。由于碳纳米管具有极好的力学性能,少量的掺杂致使纤维丝状的SCNT包裹着CoSb3颗粒,有助于提高CoSb3的断裂韧性。当SCNT含量为0.5wt%时,复合材料断裂韧性达到最大1.7MPa*m1／2,相对无掺杂材料而言有13%左右的提高。在基体热电材料CoSb3中掺杂少量的纳米颗粒,在不影响热电性能的前提下,能够有效提高其机械强度。不过本论文中的实验制备工艺还有待改善,以获得热电性能与力学性能更好的纳米／微米复合热电材料。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章前言  9-18
  1.1 研究背景和意义  9-10
  1.2 纳米材料与纳米技术  10-14
  1.3 纳米微米复合技术  14-15
  1.4 纳米复合结构热电材料  15-16
  1.5 本论文选题的目的和研究内容  16-18
第2章实验方法  18-28
  2.1 实验技术方案  18-19
  2.2 材料的制备方法  19-20
    2.2.1 CoSb_3热电材料的制备方法  19
    2.2.2 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料制备方法  19-20
    2.2.3 单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料制备方法  20
  2.3 材料组织结构表征  20-21
  2.4 材料热电性能测量  21-22
    2.4.1 电导率测试  21
    2.4.2 Seebeck系数测试  21-22
    2.4.3 热导率测试  22
  2.5 材料力学性能测量  22-27
    2.5.1 常温静态应变测量  22-23
    2.5.2 单轴压缩强度与模量测试  23-25
    2.5.3 三点弯曲试验与测试  25-26
    2.5.4 断裂韧性测试  26-27
  2.6 本章小结  27-28
第3章纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料热电与力学性能  28-39
  3.1 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料物相、显微结构与密度分析  29-32
    3.1.1 纳米α-Al_2O/CoSb_3复合材料物相组成  29
    3.1.2 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料微观结构  29-32
    3.1.3 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料密度分析  32
  3.2 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料热电性能  32-36
    3.2.1 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料电性能  33-34
    3.2.2 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料热性能  34-35
    3.2.3 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料热电性能ZT值  35-36
  3.3 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料力学性能  36-38
    3.3.1 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料模量分析  36-37
    3.3.2 纳米α-Al_2O_3/CoSb_3复合材料强度分析  37-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料热电与力学性能  39-48
  4.1 单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料物相、显微结构与密度分析  40-43
    4.1.1 单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料物相组成  40
    4.1.2 单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料微观结构  40-42
    4.1.3 单壁碳纳米管/CoSb+3复合材料密度分析  42-43
  4.2 单壁碳纳米管/CoSb3复合材料热电性能  43-45
    4.2.1 单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料电传输性能  43-44
    4.2.2 单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料热性能  44-45
    4.2.3 单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料热电性能ZT值  45
  4.3 单壁碳纳米管/CoSb_3复合材料力学性能  45-47
    4.3.1 单壁碳纳米管/CoSb3复合材料断裂韧性分析  46-47
  4.4 本章小结  47-48
第5章结论与展望  48-50
  5.1 结论  48-49
  5.2 展望  49-50
参考文献  50-54
作者在攻读硕士期间发表的论文  54
作者在攻读硕士期间参加的科研项目  54-55
致谢  55

纳米/微米复合热电材料热电与力学性能研究

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