碲硒掺杂方钴矿高温力学性能及服役行为研究

摘要

热电材料是一种用来将热能和电能进行直接转换的环境友好性功能材料，而方钴矿是最具有应用前景的中温材料之一。如何通过改进工艺制备出高ZT值的方钴矿材料是当前研究的热门课题；同时，方钴矿材料的实际工作环境又决定了其必然要承受热载荷和力载荷的作用，那么如何提高方钴矿热电材料在高温下的力学性能和服役后的力学性能也是一门重要的研究课题。本文采用固相反应结合放电等离子烧结工艺制备了不同合成温度下的方钴矿化合物Co4Sb11.3Te0.5Se0.2，研究了合成温度对热电性能以及微观结构的影响。同时，用高能球磨结合放电等离子烧结法引入纳米第二相，成功制备了含有纳米TiN第二相的微纳复合方钴矿Co4Sb11.3Te0.58Se0.12+TiN，探究了引入了纳米第二相后，热电性能、高温力学性能以及服役后的热电性能和力学性能的变化规律。
　　对于不同合成温度下Te-Se双掺杂的方钴矿化合物Co4Sb11.3Te0.5Se0.2的研究结果显示：随着合成温度的升高，晶粒尺寸明显变大；在953K下合成的样品，其晶格热导率最小，同时该样品在800K时得到最大ZT值1.07，比853K下合成的样品ZT值同温度下提高了19％。
　　对于复合有不同体积分数纳米TiN（0vol％，0.5vol％，1vol％）第二相的微纳复合方钴矿 Co4Sb11.3Te0.58Se0.12+TiN的研究表明：在热电性能方面,复合了1vol％TiN的方钴矿基化合物Co4Sb11.3Te0.58Se0.12+TiN，在800K时，ZT值达到最大值1.11。在高温力学性能方面，随着测试温度的升高，力学性能都是有着降低的趋势。从室温到773K，加入了纳米TiN的方钴矿基化合物比未加入纳米TiN的方钴矿基化合物的抗弯强度和断裂韧性都有着明显提高。
　　对于复合有不同体积分数纳米TiN（0vol％，0.5vol％，1vol％）第二相的微纳复合方钴矿Co4Sb11.3Te0.58Se0.12+TiN服役后的研究表明：在热电性能方面，经热处理后，纳米复合的方钴矿基化合物热导率依旧比无纳米复合的方钴矿基的热导率低，而就ZT值而言，未复合纳米TiN的方钴矿基化合物ZT值下降，而复合了1vol％TiN的钴矿基化合物ZT值略微上升，达到1.12。在热处理后，进行抗弯强度测试，随着 TiN含量的增加，材料的断裂强度得到了提升；同时，纳米复合的方钴矿基材料的弯曲强度波动较小。

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第1章前 言

1.1 研究背景和意义

1.2 热电效应

1.3 热电转换效率及其影响因素

1.4 热电材料的发展史及体系

1.5 方钴矿基热电材料的国内外研究进展

1.6 方钴矿基材料的力学行为及服役行为研究

1.7 本论文的研究目的和主要内容

第2章实验方法与设备

2.1材料的合成方法及仪器

2.2 材料的表征方法及设备

2.3 材料的测试方法及设备

第 3 章 碲硒双掺杂方钴矿合成温度对热电性能的影响

3.1 引言

3.2 材料的制备

3.3 不同温度下合成的 Co4Sb11.3Te0.5Se0.2化合物的相与微观结构

3.4 不同温度下合成的Co4Sb11.3Te0.5Se0.2化合物的热电性能

3.5 小结

第 4 章 纳米复合方钴矿基材料热电性能和高温力学性能研究

4.1 引言

4.2 材料的制备

4.3 纳米复合方钴矿基材料的微观形貌

4.4 纳米复合方钴矿基材料的热电性能

4.5 纳米复合方钴矿基材料高温下的力学性能

4.6 小结

第 5 章 纳米复合方钴矿基材料服役后的热电性能和力学性能

5.1 引言

5.2 材料的制备

5.3 热处理后的微观形貌

5.4 热处理后热电性能

5.5 热处理后的力学性能

5.6 小结

第 6 章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文及参加的科研项目