元素掺杂及CNTs/SiC弥散对Bi2Ba2Co2Oy热电性能的影响研究

摘要

热电材料能够依靠固体材料中载流子的输运实现热能和电能的直接转换，主要应用于温差发电和热电制冷。用热电材料制作的热电器件具有结构简单、性能可靠以及环境友好等诸多优点。材料的热电性能好坏与其电阻率、塞贝克系数和热导率有关，常用无量纲的热电优值TT来评价i.ZT=S2T/(pK)，S为塞贝克系数，p为电阻率，k为热导率，T为工作温度）。功率因子定义为：PF=S2/p。氧化物热电材料物理化学稳定性好，但一般电阻率太大使得其热电性能远不如合金材料。而NaCo2O4材料具有较高热电性能的发现，引发了氧化物热电材料的研究热潮。Bi2Ba2Co2Oy材料即是一类性能较好的具有层状结构的Co基氧化物热电材料。
　　提高Co基氧化物热电性能的方法多样，其中元素掺杂和纳米化是两个重要的方向。合适的元素掺杂能够提高载流子浓度，从而改善电输运性能，一些重元素掺杂还能较好地降低材料热导率。纳米材料的量子尺寸效应和库伦阻塞有可能提高材料的热电性能。本文采用简单的高温固相合成法制备样品，通过XRD、SEM和EDS等进行物相表征，并对材料的电阻率、塞贝克系数、热导率、功率因子和ZT值进行测量和计算。
　　本文首先研究了Na、K元素Bi位替代对Bi2Ba2Co2Oy材料热电性能的影响。K元素掺杂实验结果表明不利于提高Bi2Ba2Co2Oy材料热电性能。少量Na替代Bi使得Bi2Ba2Co2Oy材料的载流子浓度增加，从而减小了电阻率并减小了塞贝克系数;过量掺杂后材料的电阻率升高;Na元素掺杂也起到了降低热导率的作用。BiL8Na0.2Ba2Co2Oy样品的ZT值在873K达到了0.2，比未掺杂样品的ZT值提高了79％。
　　接着，研究了在1.25at%Na元素掺杂的基础上CNTs和C纳米点弥散对Bi2Ba2Co2Oy材料热电性能的影响。CNTs混入增强了界面散射，材料的热导率显著下降，功率因子也有所下降；1.25 at% Na掺杂部分补偿了CNTs混入导致的电阻率升高。C纳米点混入对材料电输运性能的影响与CNTs类似。Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+0.5 wt%CNT样品在923K的ZT值达到了0.21，比Bi1.975Nac.025Ba2Co2Oy样品提高了53.3%，比Bi2Ba2CO2Oy样品提高了78.2%。
　　最后，研究了纳米SiC弥散对Bi2Ba2Co2Oy材料功率因子的影响。纳米SiC材料本身具有较高的塞贝克系数和较低的电阻率。纳米SiC含量较少时复合材料的电阻率减小，而纳米SiC含量过多时电阻率反而增大。纳米SiC颗粒的引入还提高了材料的塞贝克系数。结果表明：适量的混入纳米SiC能够提高Bi2Ba2Co2Oy材料的功率因子。

目录

声明

1 绪论

1 .1引言

1 .2热电基础理论

1 .3热电材料研究进展

1 .4热电材料发展趋势

1.5 Bi2Ba2Co2Oy氧化物热电材料研究现状

1 .6研究课题的提出

1 .7本文的主要研究内容及思路

2 Bi2Ba2Co2Oy系 列 材 料 制 备 与 表 征 方 法

2 .1实验方法简介

2 .2高温固相法实验过程

2 .3材料的物相结构及微观形貌表征

2 .4热电性能测试及数据分析

3 N a、K 掺 杂 对Bi2Ba2Co2Oy形 貌 和 热 电 性 能 的 影 响

3 .1引言

3.2 N a掺杂对Bi2Ba2Co2Oy形貌和热电性能的影响

3.3 K 掺杂对Bi2Ba2Co2Oy热电性能的影响

3 .4本章小结

4 Na掺杂、CNTs/C纳米点弥散对Bi2Ba2Co2Oy热电性能的影响

4 .1引言

4.2 Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+CNTs x wt% 的热电性能研究

4.3 Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+C纳米点 x wt% 的热电性能研究

4 .4本章小结

5 纳 米 SiC 弥 散 对 Bi2Ba2Co2Oy功 率 因 子 的 影 响

5 .1引言

5.2 B i2Ba2Co2Oy+SiC x wt%复合材料制备

5 .3电学性能测试

5 .4结果分析

5.5 本章小结

6 结 论 与 展 望

6 .1结论

6 .2展望

参考文献

个 人 简 历 及 硕 士 期 间 发 表 的 论 文

致谢