納米-微米CoSb-,3-基化合物的制備與熱電性能研究.pdf

1、熱電材料是利用塞貝克(Seebeck)效應(yīng)和佩爾帝(Peltier)效應(yīng)將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，是高技術(shù)新能源領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，在熱電發(fā)電和熱電制冷方面具有廣闊的應(yīng)用前景。具有方鈷礦晶體結(jié)構(gòu)的CoSb<,3>基化合物作為一種具有潛在高熱電性能指數(shù)的新型中溫?zé)犭姴牧希艿絿?guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但是其熱導(dǎo)率較高，因此如何降低熱導(dǎo)率，提高其熱電性能已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文以CoSb<,3>基熱電材料為研究對(duì)象，采用納米、微米級(jí)別的Co、

2、Sb、Fe粉末作為原料，通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)原位合成了納米/微米CoSb<,3>化合物，并采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電參數(shù)測(cè)試儀、激光熱導(dǎo)儀等先進(jìn)手段，分別對(duì)CoSb<,3>化合物的制備工藝、顯微結(jié)構(gòu)和熱電性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 分別采用納米、微米級(jí)別的Co、Sb粉末通過SPS技術(shù)合成納米/微米CoSb<,3>化合物，系統(tǒng)研究了原料粉末粒度配比對(duì)于其顯微結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于粉末粒度不

3、同的納米、微米Co、Sb粉末，可以在相同的SPS燒結(jié)條件：SPS壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為600℃，燒結(jié)時(shí)間為5-15min的情況下合成CoSb<,3>化合物；同時(shí)，增大SPS燒結(jié)壓力，有助于提高CoSb<,3>燒結(jié)體致密度。在使用納米Co粉的情況下，當(dāng)Sb粉末粒度從微米下降到納米/微米尺度范圍時(shí)，合成CoSb<,3>化合物的顯微組織從微米級(jí)別下降到納米/微米復(fù)合級(jí)別。對(duì)于納米/微米CoSb<,3>化合物，采用納米Co粉末和平均粒徑為

4、13μm Sb粉末的試樣具有最高熱電性能，在573K時(shí)取得了最高性能優(yōu)值0.32。 引入納米或微米Fe粉，通過SPS技術(shù)合成納米/微米Fe<,x>Co<,4-x>Sb<,12>化合物，與微米Fe<,x>Co<,4-x>Sb<,12>化合物相比，納米/微米復(fù)合樣品的電阻率升高，熱導(dǎo)率降低。納米/微米復(fù)合FeCo<,3>Sb<,12>化合物在673K取得最高ZT值0.18，微米FeCo<,3>Sb<,12>化合物在673K時(shí)最高ZT

5、值為0.21。同時(shí)，試樣中游離態(tài)Sb的含量對(duì)熱電性能有顯著的影響，隨著游離態(tài)Sb含量的增加，試樣的熱電性能逐漸降低，主要是因?yàn)镾b是熱與電的良導(dǎo)體。真空和氨氣氣氛退火工藝均可以去除試樣中存在未反應(yīng)完全的游離態(tài)Sb，退火氣氛對(duì)試樣的成分有顯著的影響，真空退火使Fe<,x>Co<,4-x>Sb<,12>化合物處于貧Sb狀態(tài)，氬氣氣氛更有利于抑制Sb的揮發(fā)，促進(jìn)Fe<,x>Co<,4-x>Sb<,12>相的生成。計(jì)算分析了Fe置換對(duì)于Fe<,