P型NaxCo2O4基热电陶瓷材料的制备与性能表征

论文摘要

P型热电陶瓷材料NaxCo2O4是氧化物热电材料的一个典型代表。目前,对NaxCo2O4热电材料的研究虽然已经有很多,但多数还是集中在掺杂方面的研究。本文以NaxCo2O4基热电陶瓷材料作为研究对象,用材料学中的复合、双位共掺杂的思想,进一步研究以寻求提高热电性能。即利用自蔓延与固相反应相结合的方法制备双位共掺杂的粉末,然后采用粉末冶金工艺制备出Na1.7Co2O4/La0.6Sr0.4CoO3复合热电陶瓷材料。同时对所制备出的粉体以及P型NaxCo2O4基热电陶瓷材料进行系统的研究,分析复合与共掺杂对其电导率和Seebeck系数及功率因子的影响。本文主要的研究成果如下：1.利用自蔓延与固相反应相结合的方法制备出平均粒度在16.45μm左右的Na17-xCax（Co0.85Cu0.15）2O4（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）系列粉末,以及平均粒度在28.543μm左右的Na1.7-xCaxCo2O4-yFy（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25）粉末。首先,采用自蔓延法制备出Na1.7-xCax（Co0.85）2O4前驱物和平均粒度在12.534μm左右,具有层状结构的Na1.7Co2O4粉末,然后利用固相反应掺杂相应元素的化合物CuO和CaF2,得到Na1.7-xCax（Co0.85Cu0.15）2O4和Na1.7-xCaxCo2O4-yFy粉末。2.探索制备Na1.7Co2O4/La0.6Sr0.4COO3复合材料,并测试复合材料的热电性能。La0.6Sr0.4COo3粉末的合成方法为甘氨酸-硝酸盐法,复合材料的制备方法为粉末冶金法。通过对复合材料粉末Na1.7CO2o4/La0.6Sr0.4COO3的XRD进行分析可知：当复合量较小时,二者以结构上的复合为主；当复合量大于10%（wt）后,材料内部会有一些杂相生成。SEM照片显示,随着La0.6Sr0.4CoO3复合量的增加,颗粒粒度无明显变化,但材料的层状结构不再明显,结构的变化导致材料内部空隙增多。热电性能测试表明,复合材料的电导率相比Na1.7Co2O4,电导率增幅比较明显,Seebeck系数无明显减小或增大,并且随着温度的变化,表现出一定的稳定性。实验测试表明,复合量为8%（wt）的复合材料,其功率因子比较平稳,在所测温度区间内的均值可达5.33×10-4W/mK2。3.通过阳离子Cu2+与Ca2+双位共掺杂的实验与分析得知,粉末中还有少量的杂相存在。对Na1.6Ca0.1（Co0.85Cu0.15）2O4粉末进行压制和烧结性能的测试,结果表明粉末的最佳压制压力为600Mpa,粉末烧结体的密度可以达到4.126g/cm3。烧结体断口的SEM照片显示,随着掺杂量的增加,烧结体中的颗粒逐渐变大。掺杂后的材料,相比于Na1.7Co2O4,其电导率、Seebeck系数均有所提高。功率因子最大值为873K下的9.45×10-4W/mK2（x=0.15）。当x=0.1时,其在所测的温度区间内,变化幅度最小,整体热电性能最好,最高值出现在823K时的9.22×10-4W/mK2。4.通过对阳离子Ca2+和阴离子F-双位共掺的实验与结果分析,所制备的粉末颗粒有明显的取向生长,粒度有一定程度的增大,同时会伴随着少量的Na02生成。电导率除x=0.05有所增加外,其余配比的电导率均有较明显的减小,但掺杂试样的Seebeck系数均有所提高。虽然最大功率因子不及Na1.7Co2O4,但在所测温度区间内,材料的功率因子比较平稳。掺杂量x=0.05时,材料功率因子的均值为2.96×10-4W/mK2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 热电学的发展历程
• 1.2 热电材料的相关理论
• 1.2.1 Seebeck效应
• 1.2.2 Peltier效应
• 1.2.3 Thomson效应
• 1.2.4 热电材料的物理参数
• 1.3 热电材料的研究近况
• 1.3.1 金属硅化物热电材料
• 1.3.2 Bi-Te与Pb-Te系列材料
• 1.3.3 氧化物热电材料
• 1.4 常见的热电材料制备方法
• 1.4.1 熔体生长法
• 1.4.2 粉末冶金法
• 1.4.3 溶胶-凝胶法
• 1.4.4 快速热压法
• 1.4.5 自蔓延法
• 1.5 课题研究的目的及内容
• 第二章 热电材料的研究方法
• 2.1 粉末粒度分析
• 2.2 X射线衍射物相分析
• 2.3 组织结构与形貌分析
• 2.4 热电性能测量
• 2.4.1 Seebeck系数的测定
• 2.4.2 电导率的测定
• 1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的制备及其热电性能表征'>第三章 复合热电材料Na_1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的制备及其热电性能表征
• 3.1 引言
• 1.7Co₂O₄粉末的合成'>3.2 Na_1.7Co₂O₄粉末的合成
• 3.2.1 实验原理与设计
• 3.2.2 实验原料及其计算
• 3.2.3 实验步骤
• 1.7Co₂O₄粉末的物相分析'>3.2.4 Na_1.7Co₂O₄粉末的物相分析
• 1.7Co₂O₄粉末的粒度分析'>3.2.5 Na_1.7Co₂O₄粉末的粒度分析
• 1.7Co₂O₄的形貌分析'>3.2.6 Na_1.7Co₂O₄的形貌分析
• 0.6Sr_0.4CoO₃粉末的合成'>3.3 La_0.6Sr_0.4CoO₃粉末的合成
• 3.3.1 实验的原理与设计
• 3.3.2 实验原料及其计算
• 3.3.3 实验步骤
• 0.6Sr_0.4CoO₃粉末的物相分析'>3.3.4 La_0.6Sr_0.4CoO₃粉末的物相分析
• 1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的制备'>3.4 复合材料Na_1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的制备
• 1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的物相与形貌分析'>3.5 复合材料Na_1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的物相与形貌分析
• 1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的热电性能'>3.6 复合材料Na_1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的热电性能
• 1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的电导率'>3.6.1 复合材料Na_1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的电导率
• 1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的Seebeck系数'>3.6.2 复合材料Na_1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的Seebeck系数
• 1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的功率因子'>3.6.3 复合材料Na_1.7Co₂O₄/La_0.6Sr_0.4CoO₃的功率因子
• 3.7 本章小结
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄粉体的制备及其热电性能的研究'>第四章 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄粉体的制备及其热电性能的研究
• 4.1 引言
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄粉体的合成'>4.2 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄粉体的合成
• 4.2.1 实验设想及工艺流程
• 4.2.2 实验原料及计算配比
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄粉末的粒度分布'>4.3 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄粉末的粒度分布
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的物相与形貌分析'>4.4 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的物相与形貌分析
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的烧结性能'>4.5 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的烧结性能
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的热电性能'>4.6 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的热电性能
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的电导率'>4.6.1 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的电导率
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的Seebeck系数'>4.6.2 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的Seebeck系数
• 1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的功率因子'>4.6.3 Na_1.7-xCa_x(Co_0.85Cu_0.15)₂O₄的功率因子
• 4.7 本章小结
• 1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y粉体的制备及其热电性能的表征'>第五章 Na_1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y粉体的制备及其热电性能的表征
• 5.1 引言
• 1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y粉体的制备'>5.2 Na_1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y粉体的制备
• 5.2.1 制备方法及工艺流程
• 5.2.2 原料及其配比
• 1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y粉末的粒度分布'>5.3 Na_1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y粉末的粒度分布
• 1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的物相及形貌'>5.4 Na_1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的物相及形貌
• 1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的热电性能'>5.5 Na_1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的热电性能
• 1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的电导率'>5.5.1 Na_1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的电导率
• 1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的Seebeck系数'>5.5.2 Na_1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的Seebeck系数
• 1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的功率因子'>5.5.3 Na_1.7-xCa_xCo₂O_4-yF_y的功率因子
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士期间完成论文