CoSb3/SiO2纳米复合材料的制备与热电性能研究

论文摘要

Skutterudit化合物由于表现出电子晶体—声子玻璃的热电传输行为而引起人们的极大关注。但其热导率κ较高，导致其热电性能不高，因此如何降低热导率，提高其热电性能指数ZT值成为国内外研究的热点。本论文通过固相反应法和交叉共沉淀法合成了单相的微米、纳米CoSb3化合物，一部分采用机械混合法引入非导电、低热导的SiO2纳米第二相，得到CoSb3／SiO2纳米复合粉体；另一部分采用化学包覆法得到具有核壳结构的CoSb3／SiO2纳米复合粉体，结合放电等离子体烧结技术（SPS）制备了致密的纳米复合块体热电材料。系统研究了复合材料中SiO2纳米第二相的含量、分布对CoSb3／SiO2复合材料微结构和热电性能的影响规律，得到如下主要结论：在机械混合法制备的CoSb3／SiO2纳米复合材料中，第二相在CoSb3基体材料中的分布状态随其含量的增加而改变，当SiO2含量较少时，分布较均匀，含量越多团聚现象越明显。块体复合材料中SiO2的非导电特性虽然引起了复合材料电导率某种程度的降低，但使Seebeck系数大幅度增加，基体为纳米CoSb3的复合材料的Seebeck系数增加幅度更大，在T=625K时达到261μVK-1；低热导的SiO2纳米第二相产生的大量界面对声子的散射及其本身的低热导特性，使复合材料的热导率大幅度降低，当SiO2含量为5％、T=800 K时热导率为1.92Wm-1K-1；在SiO2含量为3％的微米CoSb3／SiO2复合材料中，当T=700 K时，最大ZT值达0.19，与相同温度下微米CoSb3化合物的ZT值相比，ZT值提高了64％；在SiO2含量为5％的纳米CoSb3／SiO2复合材料中，当T=700 K时，最大ZT值为0.30，与相同温度下纳米CoSb3化合物的ZT值相比，ZT值提高了约118％。在化学包覆法制备的微米CoSb3／SiO2复合粉体中，包覆层主要集中在较细小的CoSb3粒子表面。而在纳米CoSb3／SiO2复合粉体中，采用在CoSb3前驱体表面包覆后还原热处理的实验过程所得到复合粉体微结构明显优于直接采用CoSb3纳米粉体进行化学包覆的实验过程所得到的复合粉体，包覆层厚度随SiO2含量增加而增大，且厚度均匀。两种复合粉体在经过SPS烧结之后，SiO2纳米包覆层发生部分熔化而分布在基体材料晶粒周围形成岛状区域，这些岛状区域在块体中分布均匀。微米CoSb3／SiO2复合材料中ZT最大值为0.15，此时第二相含量为3％、温度T=675 K，与纯微米的CoSb3材料相比，ZT值增长幅度达到20％左右，纳米CoSb3／SiO2复合材料中ZT最大值为0.42，此时第二相含量为1％、温度T=675 K，与纯纳米的CoSb3材料相比，ZT值增长幅度达到140％左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 热电效应的原理及应用
• 1.2.1 热电效应简介
• 1.2.2 热电效应的基本原理
• 1.2.3 热电效应的应用
• 1.3 热电材料的最新研究进展
• 1.3.1 热电材料的种类
• 1.3.2 提高热电材料性能的主要途径
• 1.4 Skutteridute化合物的研究进展
• 1.4.1 Skutteridute化合物简介
• 1.4.2 Skutteridute化合物国内外研究进展和存在的主要问题
• 1.5 本论文的研究目的与主要研究内容
• 1.5.1 本论文的研究目的和意义
• 1.5.2 本论文的主要研究内容
• 第2章 实验与表征设备及方法
• 2.1 固相反应及还原热处理设备
• 2.2 机械混合技术及设备
• 2.3 放电等离子烧结技术及设备
• 2.4 Seebeck系数测试原理及设备
• 2.5 电导率测试原理及设备
• 2.6 热导率测试原理及设备
• 2.7 热电材料的表征方法
• 3/SiO₂纳米复合材料的机械混合法制备及热电性能研究'>第3章 CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的机械混合法制备及热电性能研究
• 3粉体的制备与表征'>3.1 微米和纳米CoSb₃粉体的制备与表征
• 3/SiO₂纳米复合材料的机械混合法制备与表征'>3.2 CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的机械混合法制备与表征
• 3/SiO₂纳米复合材料的热电性能'>3.3 CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的热电性能
• 3/SiO₂纳米复合材料的电性能'>3.3.1 CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的电性能
• 3/SiO₂纳米复合材料的热性能'>3.3.2 CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的热性能
• 3/SiO₂纳米复合材料的ZT值'>3.3.3 CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的ZT值
• 3.4 本章小结
• 3/SiO₂纳米复合材料的化学包覆法制备及热电性能研究'>第4章 CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的化学包覆法制备及热电性能研究
• 3/SiO₂纳米复合材料的化学包覆法制备与表征'>4.1 CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的化学包覆法制备与表征
• 3粉体表面直接包覆SiO₂纳米层'>4.1.1 纳米CoSb₃粉体表面直接包覆SiO₂纳米层
• 3前驱体表面包覆SiO₂纳米层'>4.1.2 CoSb₃前驱体表面包覆SiO₂纳米层
• 3粉体表面包覆SiO₂纳米层'>4.1.3 微米CoSb₃粉体表面包覆SiO₂纳米层
• 4.1.4 SPS烧结后块体样品的相组成分析
• 3/SiO₂纳米复合材料的热电性能'>4.2 化学包覆法制备CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的热电性能
• 3/SiO₂纳米复合材料的电性能'>4.2.1 化学包覆法制备CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的电性能
• 3/SiO₂纳米复合材料的热性能'>4.2.2 化学包覆法制备CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的热性能
• 3/SiO₂纳米复合材料的ZT值'>4.2.3 化学包覆法制备CoSb₃/SiO₂纳米复合材料的ZT值
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文和申请的发明专利
• 致谢