高压烧结过程对CoSb3微观结构及热电性能的影响

论文摘要

CoSb3是最具应用前景的中温热电材料之一,是热电材料研究的热点。本文用固相反应法结合高能球磨方法制备出具有微米和纳米尺度的CoSb3粉体。然后在450℃及1.5～6GPa压力范围内的不同压力条件下分别以微米、纳米、微米-纳米复合的粉体作为起始原料制备出块体CoSb3。研究了高压烧结过程中晶粒尺寸随压力的变化规律,讨论了高压烧结对材料表面微观形貌、相组成和热电性能的影响。对于微米晶方钴矿材料的高压烧结结果显示,2、5、5.7GPa下得到的样品存在少量Sb和CoSb2杂相,其余样品为单相CoSb3;烧结后样品的平均晶体尺寸与原始粉木相比均变大,3～6.0GPa时,随烧结压力的增大晶体尺寸变大1.5～3GPa时,随烧结压力的增大晶体长大的幅度变小。在样品直径为18mm时烧结的产物出现大量裂纹,仅在压力为2GPa、5.7GPa时烧结样品比较致密,样品经切割等处理后尺寸满足电性能测试的要求,其余样品均开裂,无法测试热电性能。测试其电性能发现2GPa样品电导率较高,达14.79(104·S·m-1),其原因主要是由于金属相Sb杂相的出现,与5.7GPa样品相比其功率因子偏低。在样品直径为9mm时烧结产物裂纹较少,在3～6GPa烧结完整样品,样品电性能与5.7GPa时样品的功率因子较接近,并显示出一定的规律性,其中3GPa烧结样品的功率因子最高。采用高能球磨法制备纳米粉体,比较球磨不同时间样品的平均粒径及物相组成,发现球磨150h时间范围内,随时间增长样品平均粒径变小,球磨150h后平均粒径为300nm;在150h时间内未出现杂相。利用离心技术分离球磨150h后粉末,得到平均粒径80nm纳米颗粒。在2、3、4GPa下高压烧结纳米晶方钴矿,发现烧结产物出现明显相变,且压力越高相变越明显;烧结样品均不致密,存在大量孔隙;2GPa、4GPa下样品有晶粒长大现象出现,而3GPa下得到样品的平均粒径（110nm）与原始粉末（80nm）相比,长大幅度较小。采用纳米及微米尺度的粉末混合进行高压烧结,发现纳米粉末占总体质量15%以下时可得到较完整的样品,烧结产物中也有杂相出现,产物微裂纹较多,并表现出较低的热电性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 热电材料及热电效应
• 1.3 热电性能参数
• 1.4 方钴矿热电材料研究现状
• 3热电材料的制备技术'>1.5 CoSb₃热电材料的制备技术
• 1.5.1 固相反应法
• 1.5.2 机械合金化法
• 1.5.3 高压烧结方法
• 1.5.4 放电等离子烧结方法
• 1.6 本论文选题的目的和研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 固相反应法
• 2.2 高压烧结方法
• 2.2.1 高压实验的组装
• 2.2.2 温度标定
• 2.2.2 压力标定
• 2.2.3 高压烧结
• 2.2.4 裂纹及改善
• 2.3 材料组织结构表征
• 2.4 材料热电性能测量
• 2.4.1 Seebeck系数测试
• 2.4.2 电导率测试
• 2.4.3 热导率测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 微米晶方钴矿材料的高压制备
• 3化合物的合成'>3.1 CoSb₃化合物的合成
• 3.1.1 合成产物的成分分析
• 3粉末的微观形貌'>3.1.2 CoSb₃粉末的微观形貌
• 3块体的高压烧结'>3.2 CoSb₃块体的高压烧结
• 3.2.1 高压烧结产物的成分分析
• 3.2.2 高压烧结产物的断口形貌
• 3.2.3 烧结产物中晶粒生长的理论解释
• 3.3 烧结样品的电传输特性
• 3.3.1 裂纹改善前样品的电性能
• 3.3.2 裂纹改善后样品的电性能
• 3.4 本章小结
• 第4章 纳米晶方钴矿材料的高压制备
• 3粉末的制备'>4.1 纳米CoSb₃粉末的制备
• 4.1.1 高能球磨法
• 4.1.2 实验结果与讨论
• 4.2 纳米晶方钴矿材料的高压烧结
• 4.2.1 纳米晶方钴矿高压烧结实验
• 4.2.2 实验结果及讨论
• 4.3 纳米微米复合材料的高压烧结
• 4.3.1 纳米微米复合材料的高压烧结实验
• 4.3.2 高压烧结产物的形貌及成分分析
• 4.3.3 高压烧结纳米微米复合材料的热电性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士期间发表的论文
• 作者在攻读硕士期间参加的科研项目
• 致谢