R位p型掺杂对RBaCo4O7陶瓷热电性能的影响

摘要

热电材料是一种能将热能和电能直接相互转化的功能材料，在能源利用和环境保护方面的特殊功能，使之成为材料研究领域的热点。钴基氧化物在氧化物热电材料中表现出了较好的热电性能，并具有无毒、无污染、高温下性能稳定等优点，近年来，引起了广大研究者的密切关注。RBaCo4O7陶瓷材料是一类新型钴基氧化物材料，属于p型半导体材料，具有复杂的晶格结构，较高的塞贝克系数和相对较低的热导率，在高温下表现出了较好的热电性能。以往的诸多研究表明，利用导电性能良好的金属元素掺杂往往可以提高热电材料的性能。因此，我们希望通过RBaCo4O7陶瓷材料的R位上掺杂金属元素来提高材料的热电性能。
　　本实验采用传统的物理固相法合成样品，对所制备样品进行了X射线衍射分析其相结构，同时分析了温度和各掺杂元素的含量对材料的电阻率、Seebeck系数、功率因子、热导率以及ZT值的影响。
　　本实验首先采用原材料相对廉价的YBaCo4O7陶瓷材料的掺杂研究做探究性试验，所选取的掺杂的元素为Ag、 Pb、Sr、Tl、Zn、Cu等。研究结果发现，元素在较高比例掺杂时由于出现较多的杂质相，往往引起较高的电阻率，因此本实验的掺杂比例控制在0.1左右。从总体上来看，所选取的元素掺杂都明显地降低了材料的电阻率，从而优化了材料的热电性能。由于掺杂元素离子半径、导电性以及原子质量的不同，不同元素对材料热电性能的影响效果不同。在所选取的掺杂元素中，Ag和Pb掺杂对YBaCo4O7陶瓷材料的热电性能的优化最为明显。其中Ag元素的最佳掺杂浓度为0.15，Y0.85Ag0.15BaCo4O7样品在温度为973K时功率因子达到最大值81μWm-1 K-2，比未掺杂的样品提高72.7％，ZT值达到0.125。
　　用探究实验中选出的最佳掺杂元素Ag和Pb元素用于YbBaCo4O7陶瓷材料的掺杂研究。结果表明，Pb元素掺杂对YbBaCo4O7材料热电性能的优化较为明显，Yb0.92Pb0.08BaCo4O7样品在温度为973K，其功率因子达到84μW m-1 K-2，比未掺杂样品提高55％, ZT值达到0.12，比未掺杂样品提高69.5％。
　　最后用掺杂效果明显的Ag和Pb元素用于LuBaCo4O7陶瓷材料掺杂研究。结果表明，Pb元素掺杂对LuBaCo4O7材料热电性能的优化较为明显，Lu0.92Pb0.08BaCo4O7样品在温度为973K，其功率因子达到85μW m-1 K-2，比未掺杂样品提高22.3％，ZT值达到0.18。
　　综合实验结果表明:R位空穴掺杂明显降低了RBaCo4O7陶瓷材料的电阻率，同时也降低材料的塞贝克系数，由于电阻率的降低幅度大于塞贝克系数的降低幅度，总体上在小比例掺杂时，材料的功率因子有一定提高。在所选取掺杂元素中，Ag和Pb的掺杂对材料热电性能的优化最为明显，这与大多数氧化物的掺杂效果是一致的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 热电现象简介

1．2 热电的基本理论

1．2．1 电导率

1．2．2 塞贝克系数

1．2．3 热导率

1．3 氧化物热电材料的研究进展

1．3．1 层状钴基氧化物

1．3．2 钙钛矿型氧化物

1．3．3 优化氧化物材料热电性能的基本途径

1．4 RBaCo4O7陶瓷材料的结构与热电性能研究

1．4．1 RBaCo4O7陶瓷材料的结构研究

1．4．2 RBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

1．5 本论文的研究内容

2 Y1-xMxBaCo4O7(M=Ag、Pb、Sr、Zn、Cu、Tl)陶瓷材料的热电性能研究

2．1 实验过程

2．1．1 样品制备

2．1．2 表征方法

2．2 Y1-xAgxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

2．2．1 XRD图

2．2．2 电阻率与温度的关系

2．2．3 塞贝克系数与温度的关系

2．2．4 功率因子与温度的关系

2．2．5 热导率和ZT值与温度的关系

2．3 Y1-xPbxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

2．3．1 电阻率与温度的关系

2．3．2 塞贝克系数与温度的关系

2．3．3 功率因子与温度的关系

2．4 Y1-xMxBaCo4O7(M=Sr、Zn、Cu、Tl)陶瓷材料的热电性能研究

2．4．1 Y1-xSrxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

2．4．2 Y1-xZnxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

2．4．3 Y1-xCuxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

2．4．4 Y1-xTlxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

2．5 小结

3 Yb1-xMxBaCo4O7(M=Pb、Ag)陶瓷材料的热电性能研究

3．1 实验过程

3．1．1 样品制备

3．1．2 表征方法

3．2 Yb1-xPbxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

3．2．1 XRD图

3．2．2 电阻率与温度的关系

3．2．3 塞贝克系数与温度的关系

3．2．4 功率因子与温度的关系

3．2．5 热导率和ZT值与温度的关系

3．3 Yb1-xAgxBaCo4O7热电性能研究

3．3．1 电阻率与温度的关系

3．3．2 塞贝克系数与温度的关系

3．3．3 功率因子与温度的关系

3．4 小结

4 Lu1-xMxBaCo4O7(M=Pb、Ag)陶瓷材料的热电性能研究

4．1 实验过程

4．1．1 样品制备

4．1．2 表征方法

4．2 Lu1-xPbxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

4．2．1 XRD图

4．2．2 电阻率与温度的关系

4．2．3 塞贝克系数与温度的关系

4．2．4 功率因子与温度的关系

4．2．5 热导率和ZT值与温度的关系

4．3 Lu1-xAgxBaCo4O7陶瓷材料的热电性能研究

4．3．1 电阻率与温度的关系

4．3．2 塞贝克系数与温度的关系

4．3．3 功率因子与温度的关系

4．4 小结

5 结论

参考文献

个人简历及硕士期间的研究成果

致谢