NaCo2O4基热电材料的制备及性能研究

论文摘要

热电材料是一种将热能和电能直接转换的功能材料。由热电材料制成的热电器件具有很多独特的优点，在少数科技尖端领域已获得成功的应用。本文综合评述了国内外热电材料研究进展，发现氧化物热电材料具有使用温度高、抗氧化、无污染、制备简单、使用寿命长等优点，成为具有研究潜力和应用价值的新型热电候选材料。本论文选择NaCo2O4氧化物热电材料作为研究对象，通过掺杂及各种合成，研究提高NaCo2O4基材料的热电优值。 本文分别采用固相反应法和首次应用柠檬酸溶胶—凝胶法对NaCo2O4以及Na位掺杂K、Ca、Sr、Ce试样进行了制备研究，采用热压烧结法和冷压烧结法制备Co位掺杂Ti，Ni，Cr的NaCo2O4试样，并对试样进行X射线衍射分析及电导率、Seebeck系数等测定，同时进一步分析研究了掺杂不同元素、不同掺杂量、不同制备方法对热电性能的影响，提出最佳的掺杂元素和最佳掺杂量。 本论文的主要研究成果如下： （1） 采用固相反应法和柠檬酸溶胶—凝胶法均可以获得纯度较高的NaCo2O4，并且采用这两种方法都可以使K，Ca，Sr掺杂入NaCo2O4晶格中。采用柠檬酸溶胶—凝胶法制备的掺Sr、Ca试样的功率因子高于固相反应法。 （2） NaCo2O4试样掺杂K，Ca，Sr均能提高材料的功率因子，掺杂Ce使NaCo2O4的功率因子降低。采用柠檬酸溶胶—凝胶法按照化学式(Na0.9Sr0.1)1.6Co2O4制备的试样的功率因子最大，其值为2.26×10-4W·m-1·K-2，比掺杂前NaCo2O4试样的功率因子提高了49.7％。因此对NaCo2O4的Na位掺杂研究获得最佳掺杂元素为Sr，最佳掺杂量为0.1。 （3） 研究结果表明不同制备方法对材料电阻率影响显著，与冷压烧结法相比较，热压烧结法制备试样的电阻率较小。实验发现Cr的掺杂有利于电导率的提高，无助于Seebeck系数的提高，而掺杂Ni、Ti使材料的电导率降

论文目录

• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 热电学的发展历史
• 1.2 热电学的有关理论
• 1.2.1 基本概念
• 1.2.2 热电参数的定量描述
• 1.3 热电器件效率及优值
• 1.3.1 制冷效率η
• 1.3.2 发电效率Φ
• 1.3.3 热电优值Z
• 第二章 热电材料的研究进展
• 2.1 传统热电材料
• 2.1.1 Bi-Te系列
• 2.1.2 Pb-Te系列
• 2.1.3 Si-Ge系列
• 2.2 新型热电材料
• 2.2.1 电子晶体—声子玻璃（PGEC）热电材料
• 2.2.2 功能梯度热电材料
• 2.2.3 低维热电材料
• 2.2.4 纳米超晶格热电材料
• 2.2.5 准晶材料
• 2.2.6 Harf-Heusler合金
• 2.2.7 氧化物热电材料
• 2.3 本文研究的目的及意义
• 2.3.1 研究的目的及意义
• 2.3.2 研究的主要内容
• 2.3.3 研究的技术路线
• 第三章 热电材料的制备技术及参数测量
• 3.1 热电材料的制备方法
• 3.1.1 熔体生长法
• 3.1.2 粉末冶金法
• 3.1.3 机械合金化法（MA）
• 3.1.4 溶胶-凝胶法
• 3.1.5 化学沉积（CVD）法或物理沉积（PVD）法
• 3.1.6 放电等离子体烧结
• 3.1.7 等离子喷涂法
• 3.1.8 蒸镀工艺法
• 3.1.9 自蔓延高温合成法
• 3.1.10 连续离子层吸附与反应法
• 3.2 热电参数的测量方法
• 3.2.1 电阻率测试
• 3.2.2 Seebeck系数测试
• 3.2.3 热导率的测量
• 2O₄的Na位掺杂及热电性能研究'>第四章 固相反应法制备NaCo₂O₄的Na位掺杂及热电性能研究
• 4.1 掺杂元素的选择
• 4.2 材料的制备
• 4.2.1 相关制备参数的确定
• 4.2.2 试样的制备步骤
• 1-yM_y)_1.6Co₂O₄的物相分析'>4.3 (Na_1-yM_y)_1.6Co₂O₄的物相分析
• 2O₄热电材料的XRD分析'>4.3.1 NaCo₂O₄热电材料的XRD分析
• 4.3.2 NaCo2O4热电材料Na位掺杂试样的XRD分析
• 4.4 热电性能分析
• 4.4.1 Seebeck系数和电导率的测量
• 2O₄材料的热电性能研究'>4.4.2 NaCo₂O₄材料的热电性能研究
• 2O₄热电性能的影响'>4.4.3 Na位掺杂对NaCo₂O₄热电性能的影响
• 4.5 本章小结
• 2O₄的Na位掺杂及热电性能研究'>第五章 溶胶—凝胶法制备NaCo₂O₄的Na位掺杂及热电性能研究
• 5.1 材料的制备
• 5.1.1 相关制备参数的确定
• 5.1.2 试样的制备步骤
• 1-yM_y)_1.6Co₂O₄材料的XRD分析'>5.2 (Na_1-yM_y)_1.6Co₂O₄材料的XRD分析
• 2O₄热电材料的物相分析'>5.2.1 NaCo₂O₄热电材料的物相分析
• 2O₄热电材料Na位掺杂试样的物相分析'>5.2.2 NaCo₂O₄热电材料Na位掺杂试样的物相分析
• 1-yM_y)_1.6Co₂O₄（M=K,Ca,Ce）热电性能测量与分析'>5.3 (Na_1-yM_y)_1.6Co₂O₄（M=K,Ca,Ce）热电性能测量与分析
• 5.4 固相反应法和溶胶—凝胶法的比较
• 5.5 本章小结
• 2O₄热电材料的Co位掺杂及热电性能研究'>第六章 NaCo₂O₄热电材料的Co位掺杂及热电性能研究
• 6.1 材料的制备
• 6.1.1 冷压烧结法
• 6.1.2 热压烧结法
• 6.2 热电性能分析
• 6.2.1 不同制备方法对热电性能影响
• 6.2.2 不同掺杂元素对热电性能影响
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简介
• 致谢