稀土摻雜的鈣鈷氧系熱電轉(zhuǎn)換材料的研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，開發(fā)環(huán)保新能源已成為全球能源發(fā)展趨勢。熱電材料通過載流子的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)化，是一種先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換材料，由于其在環(huán)境保護(hù)和能源利用等方面的優(yōu)勢，受到了科學(xué)家的高度重視。
　　本文采用溶膠-凝膠法合成稀土單元素?fù)诫s的Ca3-xAxCo4O9（A=La or Sm）和復(fù)合摻雜的Ca3-2xLaxSmxCo4O9材料的前驅(qū)粉末，再通過燒結(jié)得到熱電材料燒結(jié)體。研究粉末和材

2、料燒結(jié)體制備的工藝條件以及稀土離子對Ca位的替代對材料的結(jié)構(gòu)和性能的影響。用差熱分析儀對預(yù)處理得到的凝膠粉末進(jìn)行差熱-熱重分析，用掃描電子顯微鏡觀察前驅(qū)粉末以及材料燒結(jié)體的微觀形貌，用X-射線衍射儀分析材料的組成，用四探針法測量熱電材料的電阻率從而得到電導(dǎo)率，并通過估算得出熱電材料的熱導(dǎo)率。主要研究結(jié)果如下：
　　1、采用溶膠-凝膠法，并分別通過常規(guī)加熱法和微波加熱法成功地制備了材料的前驅(qū)粉末。微波加熱法與常規(guī)加熱法相比可以更快地

3、得到純相的前驅(qū)粉末，且粉末的結(jié)晶程度更高，晶形發(fā)育更完善。將粉末在20 MPa下壓片、900℃下高溫?zé)Y(jié)5小時(shí)并進(jìn)行微波二次燒結(jié)，最終得到熱電材料燒結(jié)體。
　　2、XRD測試結(jié)果表明，單元素?fù)诫s以及復(fù)合摻雜后材料的物相都沒有發(fā)生改變，沒有雜相生成，稀土離子都能成功地取代Ca位，進(jìn)入到Ca-Co-O體系的晶格結(jié)構(gòu)中，成為單一化合物。
　　3、電導(dǎo)率的測試結(jié)果表明，熱電材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高整體呈現(xiàn)出增加的趨勢；單元素?fù)诫s以及

4、復(fù)合摻雜La和Sm后，材料的電導(dǎo)率都高于不摻雜材料的電導(dǎo)率；材料的電導(dǎo)率隨摻雜量的增加而逐漸增加，當(dāng)電導(dǎo)率達(dá)到最大值后繼續(xù)增大摻雜量，材料的電導(dǎo)率逐漸減小。本實(shí)驗(yàn)中，單元素?fù)诫s當(dāng)La的量為0.7、摻雜Sm的量為0.5、復(fù)合摻雜當(dāng)La和Sm的量都為0.35（即總摻雜量為0.7）時(shí)，摻雜材料的電導(dǎo)率分別達(dá)到最大值。
　　相同摻雜量下，單元素?fù)诫sLa材料的電導(dǎo)率大于摻雜Sm材料的電導(dǎo)率，復(fù)合摻雜熱電材料的電導(dǎo)率介于兩種單元素?fù)诫s材料的電

5、導(dǎo)率之間，但不是二者的平均值，在溫度低時(shí)接近于單元素?fù)诫sSm材料的電導(dǎo)率，在溫度高時(shí)接近于摻雜La材料的電導(dǎo)率。
　　4、熱電材料的電子熱導(dǎo)率估算結(jié)果表明，稀土摻雜后Ca3-xAxCo4O9和Ca3-2xLaxSmxCo4O9體系材料的電子熱導(dǎo)率都沒有降低，且隨著溫度的升高有所增加， 但數(shù)值都非常??；而稀土摻雜后引起晶格結(jié)構(gòu)變化，使聲子散射作用加強(qiáng)，熱導(dǎo)率中起主導(dǎo)作用的聲子熱導(dǎo)率大幅度地降低。所以綜合考慮電子熱導(dǎo)率和聲子