摻雜的p-Ca-,3-Co-,4-O-,9-和n-CaMnO-,3-基氧化物熱電材料及其器件性能的研究.pdf

1、本文系統(tǒng)地研究了摻雜的p-Ca3Co4O9和n-CaMnO3基高溫氧化物熱電材料及其器件的綜合性能。一方面，通過改善制備方法，優(yōu)化摻雜工藝，尋求具有最佳性能的p型和n型熱電材料。另一方面，采用具有最佳熱電性能的材料組裝成熱電器件，進(jìn)行相關(guān)性能的研究。通過優(yōu)化器件制備工藝的各項(xiàng)參數(shù)，顯著地提高器件的溫差發(fā)電性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將對(duì)摻雜p-Ca3Co4O9和n-CaMnO3基氧化物熱電材料的商業(yè)化應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。本文取得的主要成

2、果如下：
　　 1、采用自燃法制備了單一相的p-Ca3Co4-xAgxO9、Ca3-xBixCo4O9(x=0，0.1，0.2,0.3)和n-Ca1-ySmyMnO3(y=0,0.02,0.05,0.1)氧化物熱電材料粉末。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明自燃法制備的粉末顆粒細(xì)小，分布均勻，有利于獲得高熱電性能的材料試樣，并且自燃法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。在p型和n型材料試樣制備方面，對(duì)粉末煅燒、壓制工藝、材料燒結(jié)等工藝進(jìn)行了系統(tǒng)

3、分析和研究，獲得了最優(yōu)化的工藝條件，制備出單一純相，結(jié)構(gòu)致密，性能最優(yōu)的熱電材料。
　　 2、采用粉末冶金法制備Ag摻雜的p-Ca3Co4-xAgxO9(x=0,0.1，0.2,0.3)材料。研究結(jié)果表明，隨著Ag摻雜量的增加，材料電導(dǎo)率上升，Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率下降。而對(duì)于Bi摻雜的p-Ca3-xBixCo4O9(x=0，0.1，0.2,0.3)材料性能研究表明，隨著Bi摻雜量的增加，材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率下降，Seebe

4、ck系數(shù)上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定，當(dāng)x=0.2時(shí)，p-Co349/Ag0.2材料試樣具有最佳熱電性能，在973K時(shí)，電阻率為89.99μΩm，Seebeck系數(shù)為130.31μVK-1，熱導(dǎo)率為0.954Wm-1K，ZT值達(dá)到0.197。當(dāng)x=0.3時(shí)，材料p-Co349/Bi0.3材料試樣具有最優(yōu)異的熱電性能，在973K下，電阻率為199.14μΩm，Seebeck系數(shù)為189.42μVK-1，熱導(dǎo)率為0.643Wm-1K，ZT值達(dá)到最大值

5、0.27，兩類材料均符合制備高溫?zé)犭娖骷囊蟆?br>　　 3、采用粉末冶金法制備Sm摻雜n-Ca1-ySmyMnO3(y=0,0.02,0.05,0.1)材料。研究結(jié)果表明，隨著Sm摻雜量的增加材料電導(dǎo)率上升，Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率下降，并獲得最優(yōu)化的工藝條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)y=0.02時(shí)，n-Mn113/Sm0.02材料試樣具有最佳熱電性能，在973K時(shí)，電阻率為178.2μΩm，Seebeck系數(shù)為202.75μVK-1

6、，熱導(dǎo)率為1.539Wm-1K，ZT值達(dá)到0.15，已經(jīng)符合高溫氧化物熱電材料實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，可以用于組裝熱電器件，進(jìn)行溫差發(fā)電性能測(cè)量。
　　 4、采用所合成的具有優(yōu)良熱電性能的p-Co349/Ag0.2、p-Co349/Bi0.3和n-Mn113/Sm0.02組裝成熱電器件，在實(shí)際工作條件下進(jìn)行材料溫差發(fā)電性能的測(cè)試。用p-Co349/Ag0.2和n-Mn113/Sm0.02組裝溫差發(fā)電器件。在Thot=873K，△T=523

7、K時(shí)，器件Rin=0.73Ω，Rin-ideal=0.3Ω，接觸電阻Rc=0.43Ω，最大輸出功率Pmax為36.8mW，制造因子MF=Pmax/Pmax-ideal為0.425，體積功率密度達(dá)到81.9mWcm-3，并具有良好的高溫耐久性能。為了進(jìn)一步改善高溫?zé)犭娖骷苽涔に?，提高熱電器件的綜合性能。采用p-Co349/Bi0.3和n-Mn113/Sm0.02材料組裝溫差發(fā)電器件。通過對(duì)高溫?zé)犭娖骷苽涔に嚨母倪M(jìn)，使得熱電器件性能得到

8、很大程度的提高。在Thot=873K，△T=525K時(shí)，器件Rin=0.63Ω，Rin-ideal=0.42Ω，接觸電阻Rc=0.21Ω，最大輸出功率Pmax為51.4mW，制造因子MF=Pmax/Pmax.ideal高達(dá)0.663，體積功率密度也提高到127.6mWcm-3，并且具有良好的高溫耐久性能，達(dá)到實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果完善了國(guó)內(nèi)高溫?zé)犭娖骷苽漕I(lǐng)域的相關(guān)問題，為高溫氧化物熱電材料和多模塊熱電器件商業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。