非平衡结构填充方钴矿基热电材料的制备和热电性能

论文摘要

Skutterudite是最受关注和最具应用前景的中温热电材料之一,但目前Skutterudite热电材料的研究仍停留于实验室阶段,规模化的批量生产仍无法开展。其原因在于现有的传统制备方法工艺复杂,耗时太长。本文采用SPS反应烧结工艺来实现填充方钴矿材料的快速制备,探讨了SPS烧结压力工艺参数和两段烧结工艺对快速制备样品的物相、结构和热电性能的影响。研究发现,SPS反应烧结工艺可用来制备填充方钴矿基热电材料。决定物相组成的关键因素是烧结温度,773 K以上烧结时所得样品为单相填充方钴矿。与传统熔融淬火退火工艺相比,快速制备工艺大大缩短了制备时间,降低了烧结温度和能耗。并且所制备的样品中含有独特的螺旋非平衡结构和广泛存在的几百纳米左右的晶须。通过在反应烧结时施加不同的压力快速制备所得样品的物相、结构和性能研究发现：在5～50MPa压力范围内,反应烧结所得样品仍为单相；结构中仍以晶须和螺旋非平衡结构为主；样品的热电性能较接近,在675 K时5 MPa反应所得样品ZT值最大为0.71。由此得出结论5～50MPa范围的压力变化对反应烧结样品的结构和性能较小。在反应烧结快速制备的基础上设计了低温合成高温烧结两步烧结工艺。结果显示：两步烧结工艺仍可制备出单相方钴矿基热电材料。随第二段烧结温度的增高,螺旋晶须结构逐渐长成螺旋块体结构。且样品的电性能增大,热导率降低,综合热电性能有所提高。这表明两步烧结工艺有助于提高快速制备样品的热电性能,快速制备工艺得到了优化。在第一段烧结温度为798 K第二段烧结温度为898 K时所制备样品在800 K时取得最大ZT值0.77。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 热电效应及其原理
• 1.2.1 Seebeck效应
• 1.2.2 Peltier效应
• 1.2.3 Thomson效应
• 1.2.4 热电效应之间的关系
• 1.2.5 热电效应的基本原理
• 1.2.6 热电优值与转换效率
• 1.3 决定热电材料性能的因素
• 1.3.1 载流子浓度
• 1.3.2 电子能带结构
• 1.3.3 晶体结构
• 1.4 热电性能的优化
• 1.4.1 降低晶格热导率
• 1.4.2 提高载流子迁移率
• 1.4.3 低维化和超晶格
• 1.5 热电材料的类型及其研究现状
• 1.5.1 传统热电材料
• 1.5.2 含笼子结构化合物体系（Cage-like TE materials）
• 1.5.3 含有空位的热电材料结构体系（Phases with Vacancies）
• 1.5.4 其他类型热电材料
• 1.6 Skutterudite热电材料的研究现状
• 1.6.1 Skutterudite热电材料的制备技术
• 1.6.2 Skutterudite热电材料的研究进展
• 1.6.3 Skutterudite热电材料研究存在的问题
• 1.7 本论文选题的目的和研究内容
• 第2章 放电等离子体反应烧结快速制备钡铟双填充方钴矿的探索
• 2.1 （Ba,In）双原子填充方钴矿热电材料的制备
• 2.1.1 制备工艺
• 2.1.2 物相分析
• 2.1.3 显微结构分析
• 2.2 （Ba,In）双原子填充方钴矿热电材料的热电性能
• 2.2.1 霍尔系数
• 2.2.2 电导率
• 2.2.3 Seebeck系数
• 2.2.4 热导率
• 2.2.5 ZT值
• 2.3 本章小结
• 第3章 烧结压力对反应烧结快速制备钡铟双填充方钴矿结构和性能的影响
• 3.1 （Ba,In）双原子填充方钴矿热电材料的变压快速制备
• 3.1.1 制备工艺
• 3.1.2 物相分析
• 3.1.3 显微结构分析
• 3.2 （Ba,In）双原子填充方钴矿热电材料的热电性能
• 3.2.1 霍尔系数
• 3.2.2 电导率
• 3.2.3 Seebeck系数
• 3.2.4 热导率
• 3.2.5 ZT值
• 3.3 本章小结
• 第4章 两步烧结法快速制备钡铟双填充方钴矿的探索
• 4.1 实验方案
• 4.2 （Ba,In）双原子填充方钴矿两步烧结法的制备
• 4.2.1 制备工艺
• 4.2.2 物相分析
• 4.2.3 显微结构分析与非平衡结构的结晶机理
• 4.3 钡铟双原子填充方钴矿两步烧结法制备样品的热电性能
• 4.3.1 霍尔系数
• 4.3.2 电导率
• 4.3.3 Seebeck系数
• 4.3.4 热导率
• 4.3.5 ZT值
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文情况