Bi掺杂La0.1Sr0.9TiO3基陶瓷的制备及热电性能研究

摘要

钙钛矿型SrTiO3基材料是目前报道的性能最好的n型氧化物热电材料之一。对于SrTiO3基热电材料来说，La元素的研究已经比较成熟，但单掺 La的SrTiO3基陶瓷仍然具有电导率随温度升高而降低，热导率偏高的不足，导致其热电性能仍然较低。因此本论文拟通过 Bi和La共掺杂以及Sr缺失的设计来提高SrTiO3基陶瓷材料的热电性能。
　　本论文采用改进的固相法制备 Bi和 La共掺杂 SrTiO3基粉体，之后在1500℃，5%H2/95%N2还原气氛下烧结制备相应陶瓷材料。通过对材料的物相组成、显微形貌、电导率、Seebeck系数以及热导率等分析，研究不同Bi掺杂浓度及不同 Sr缺失量对 SrTiO3基陶瓷的组成、微观形貌及热电性能的影响。
　　首先，对La0.1BixSr1-xTiO3（x=0,0.05,0.075,0.1）陶瓷的烧结工艺、组成、显微结构和热电性能进行研究。研究发现，1500℃保温6h可以使低Bi掺杂浓度的试样（x=0~0.05）获得更好的烧结效果，但保温4h可以使材料获得更小的晶粒从而降低热导率，提高材料性能。同时，保温4h制备的试样在Bi掺杂量 x=0.075时获得了最佳的热电性能，其功率因子在500℃时最大，为692μW?m-1?K-2，ZT值在500℃时为0.172，比未掺杂 Bi的La0.1Sr0.9TiO3提高了130%。
　　其次，分别制备名义组成为La0.1BixSr0.9-1.25xTiO3、La0.1BixSr0.9-1.5xTiO3、La0.1BixSr1-1.25(0.1+x)TiO3和 La0.1BixSr1-1.5(0.1+x)TiO3(x=0，0.05，0.075，0.1@4h；x=0,0.025,0.05,0.065@6h)四种类型两个系列的 Sr缺失的 Bi和 La共掺SrTiO3基陶瓷试样，研究 Sr缺失对 Bi和 La共掺 SrTiO3基陶瓷的物相组成及显微形貌的影响。结果表明，两批试样均在Bi掺杂量超过0.05时检测到Bi2O3，但Sr缺失可以增加 Bi的最大掺入量；同时，Sr缺失还有提高陶瓷烧结效果，细化晶粒的作用。
　　最后，对上述四种类型两个系列的 Sr缺失的 Bi和 La共掺 SrTiO3基陶瓷试样进行热电性能的分析。结果表明，保温4h和6h制备试样的电导率和Seebeck系数虽有所不同，但都在y=1-1.25(0.1+x)，x=0.05时获得最佳性能，其最佳功率因子分别为保温4h试样的1213μW?m-1?K-2(300℃)和保温6h试样的1034μW?m-1?K-2(500℃)，分别比 La0.1Sr0.9TiO3和 La0.1BixSr1-xTiO3提高420%、340%和75%、49%。另外，二者的 ZT值在500℃时分别为0.235和0.227，分别比 La0.1Sr0.9TiO3和 La0.1BixSr1-xTiO3提高260%、250%和37%和32%，说明Bi-La双掺及 Sr缺失的协同作用可有效提高SrTiO3基陶瓷的热电性能。同时，相同组成不同保温时间制备的 La0.1Bi0.05Sr0.8125TiO3试样的 ZT值相近，在测试误差范围内，也说明了本论文研究材料性能的稳定性和可重复性。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 热电材料理论基础

1.3 SrTiO3基热电陶瓷的研究进展

1. 4 课题研究的主要内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2. 3 材料主要的分析测试方法

第3章 La0.1BixSr1-xTiO3陶瓷的制备及热电性能研究

3.1 引言

3.2 材料的制备

3.3 La0.1BixSr1-xTiO3陶瓷组成分析与形貌观察

3.4 La0.1BixSr1-xTiO3陶瓷热电性能

3.5 本章小结

第4章 Sr缺失La0.1BixSryTiO3陶瓷的结构分析

4.1 引言

4.2 La0.1BixSryTiO3陶瓷的物相组成表征

4.3 La0.1BixSryTiO3陶瓷的显微形貌观察

4.4本章小结

第5章 Sr缺失La0.1BixSryTiO3陶瓷热电性能研究

5.1 La0.1BixSryTiO3陶瓷的电导率

5.2 La0.1BixSryTiO3陶瓷的Seebeck系数

5.3 La0.1BixSryTiO3陶瓷的功率因子

5.4 La0.1BixSryTiO3陶瓷的热导率与ZT值

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

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