铋掺杂银复合改性钴酸钙基氧化物的制备及热电性能研究

摘要

随着能源与环境问题的日益突出，废热发电这种热电转化技术作为适用范围广和符合环保要求的绿色能源技术吸引了越来越多的关注。Ca3Co4O9基氧化物是目前最有希望得到工业应用的高温热电材料之一，其具有耐高温、抗氧化、热稳定性好、无污染、使用寿命长、制备简单、成本低等优点，但目前距离可实用化的性能指标还有较大差距，因此，人们不断努力寻求提高其热电性能的新途径。
　　本论文通过高分子网络凝胶法合成出均匀超细的Bi掺杂Ca3Co4O9+δ体系，Ag复合Ca3Co4O9体系和Bi掺杂Ca3Co4O9+δ与Ag复合体系的前驱粉体，采用先进的放电等离子烧结技术(SPS)制备出致密的陶瓷材料，利用XRD、SEM和EDS对材料的物相和形貌进行了表征。并在300～973K的温度范围，研究了材料的热电系数S、电导率σ、功率因子P等性能随温度的变化规律。
　　对三个体系陶瓷试样断口的SEM观察发现，晶粒均呈片层状，晶粒尺寸大约1～4μm，基体中无明显气孔，材料的致密度较高。另外，XRD物相分析、SEM断口形貌观察和EDS能谱分析结果表明，在Ag复合Ca3Co4O9体系和Bi掺杂Ca3Co4O9+δ与Ag复合体系陶瓷试样中，当单质Ag掺入量较高时，Ag会以第二相的形式析出，大小约在0.1～1μm之间，元素Bi有利于单质Ag在基体中的分布，使得基体中富Ag相的粒径更小，分布更均匀。
　　对Bi掺杂Ca3Co4O9+δ系列陶瓷的热电性能研究表明，Bi掺杂使材料的电导率和Seebeck系数同时增大，CBCO-5试样的功率因子最大，在973K时达到了4.8×10-4W·m-1·K-2，比未掺杂Bi元素的Ca3Co4O9试样提高了26.3％。
　　Ag复合Ca3Co4O9体系和Bi掺杂Ca3Co4O9+δ与Ag体系陶瓷试样的功率因子均比CBCO-0.5和Ca3Co4O9试样有所提高。973K时，在CCOA体系中，CCOA-20试样的功率因子最大，为5.7×10-4W·m-1·K-2，比Ca3Co4O9试样提高了49%。CBCOA-10的试样的功率因子最大，为5.5×10-4W·m-1·K-2，比CBCO-0.5试样提高了15%。这表明Ag复合是改善Ca3Co4O9基氧化物热电材料热电性能的有效途径。

目录

铋掺杂银复合改性钴酸钙基氧化物的制备及热电性能研究

THE PREPARATION AND THETHERMOELECTRIC PROPERTIES’STUDY OF BI-SUBSTITUTED AGCOMPOPOSITE Ca3Co4O9-BASEDOXIDES

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 热电效应

1.3 热电效应的应用

1.4 氧化物热电材料的国内外研究现状

1.5 课题研究主要内容

第2 章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 掺杂成分设计

2.3 组织结构分析方法

2.4 热电性能测试

2.5 SPS 烧结

第3 章 Bi 掺杂Ca3Co4O9+δ 陶瓷的制备及热电性能

3.1 Ca3Co4O9+δ 的制备和表征

3.2 Bi 掺杂Ca3Co4O9+δ 陶瓷的制备和表征

3.3 本章小结

第4 章 Ag 复合Ca3Co4O9 陶瓷的微结构和热电性

4.1 Ag 复合Ca3Co4O9 陶瓷的显微结构和热电性能

4.2 Bi 掺杂Ca3Co4O9+δ 与Ag 复合陶瓷的显微结构和热电性

4.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致 谢