CuAlO基热电陶瓷材料微结构及其热电性能的研究

摘要

本文通过固相反应法制备了不同烧结温度下、不同金属氧化物掺杂的CuA102基陶瓷。利用X射线粉末衍射仪以及正电子湮没寿命谱仪、正电子湮没辐射Doppler展宽谱仪等实验仪器，系统研究了烧结温度、不同金属氧化物掺杂对CuA102热电陶瓷微结构和热电性能的影响。主要的实验结果如下：
　　 (1)XRD结果显示，以CuO和A1203为原材料通过固相反应法制备得CuAl02基陶瓷，样品中含有CuAI02和少量的CuO，没有A1203和其他杂质，且CuO含量随着烧结温度升高而降低。这说明烧结温度越高陶瓷样品中的化学成分失配率越低。因cu+空位而产生的空穴载流子导致CuA102基陶瓷电阻率降低。
　　 (2)CuAI02基陶瓷中CuAI02晶粒随着烧结温度升高而增大，且晶粒生长方向明显呈c轴择优取向。随烧结温度升高，样品中的微孔洞尺寸增大，但微孔洞浓度则减小。室温下样品的电阻率和seebeck系数都随着烧结温度升高出现一个波谷，而其功率因子则随着烧结温度升高而降低。
　　 (3)在CuA102基陶瓷中掺入少量的Fe（x<0.10）时，Fe3+离子取代CuAlO2结构中的AI3+离子位置，样品的Doppler展宽谱的3d信号和功率因子均增加；而样品的S参数、正电子平均寿命、电阻率和Seebeck系数均降低。这可能是因为当Fe3+离子取代CuA102结构中的AI3+离子后，样品中3d电子数增多。
　　 (4)随Fe含量(x>0.10)的增加，FeAl204抑制CuA1204和CuO进一步反应，样品中CuAll-xFex02含量减少，样品中空位团和微孔洞的浓度增大，阻碍载流子迁移，使样品的电阻率增大，功率因子降低。
　　 (5)在CuA102基陶瓷中掺入少量的Ca，Ca2+离子可以通过取代cu+离子位置进入CuA102结构中。随着Ca含量的增加，样品的正电子体寿命、Seebeck系数增大；而样品的体电子密度、大尺寸微孔洞的浓度减小；功率因子随Ca含量的增加先增大后减小。
　　 (6)掺入的Mg抑制了CuAl204和CuO进一步反应生成CuAl02;掺入的Sr抑制了CuO和A1203反应，致使样品中残留有较多的CuO和A1203。掺入Mg或Sr后，样品中大尺寸微观缺陷（空位团和微孔洞）浓度增大，增高了样品的seebeck系数。
　　 (7)CuA102陶瓷样品的室温Seebeck系数随样品中缺陷浓度升高而增大。