放电等离子烧结制备钴酸钙热电氧化物材料及性能研究

摘要

该文主要研究了采用化学共沉淀法和放电等离子烧结法相结合分别制备Ca<,2>Co<,2>O<,5>和Ca<,3>Co<,4>O<,9>陶瓷,采用溶胶-凝胶法和放电等离子烧结法相结合制备掺杂稀土离子的Ca<,3>Co<,4>O<,9>固溶体,并对其微观结构和性能进行了初步探讨.采用化学共沉淀法与SPS法相结合制备Ca<,2>Co<,2>O<,5>陶瓷是一种简便、快捷、新型的制备方法.它比普通的固相反应法和溶胶-凝胶法的反应周期短,而且操作易于进行.利用ICP确定共沉淀法制备前驱物的pH值.在不同条件下进行热处理,通过XRD分析确定其物相.在600℃-900℃之间不同时间进行热处理只能得到Co<,3>O<,4>、CaO和Ca<,2>Co<,2>O<,5>的混合物.在高于900℃热处理时,Ca<,2>Co<,2>O<,5>分解生成Ca<,3>Co<,2>O<,6>.热处理产物再经不同条件SPS烧结得到样品,通过XRD分析表明,当热处理温度在650℃-800℃时SPS800℃烧结5min即得所需物相;当热处理条件为750℃,2h时,SPS烧结5min,温度在750℃-900℃也可得到所需物相.利用SEM观察各烧结产物的微观结构,利用阿基米德法测定各烧结条件下产物的密度,并进行比照.实验结果表明随烧结温度升高产物的颗粒增大,密度先降低后升高.产物的热导率随温度的升高而降低.在测试范围内,随着温度的升高,样品的ZT值不断升高,最大达到0.21,接近于文献最高值ZT=0.23.利用共沉淀法和SPS方法相结合制备纯相Ca<,3>Co<,4>O<,9>.热处理条件为750℃,2h,SPS烧结条件为850℃烧结5min,升温速度为150℃/min,压力为30MP.利用溶胶-凝胶法和SPS方法相结合制备掺杂稀土离子的Ca<,3>Co<,4>O<,9>固溶体.采用XRD分析确定其物相以及掺杂量,当La的掺杂量x≤0.4,Ce的掺杂量x≤0.3时,稀土离子代替部分钙离子进入Ca<,3>Co<,4>O<,9>的晶格形成替代型固溶体,晶体的晶格常数发生了改变.SEM断口照片显示其微观结构呈片状排列.未掺杂样品的热导率高于掺杂后样品的热导率.热导率随着温度的升高而升高,在500℃时达到最大值,在500℃之后降低.掺杂Ce离子使材料的ZT值升高;掺杂La离子使材料的ZT值降低.

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1热电材料概述

1.1.1热电材料发展的背景

1.1.2热电材料的概念

1.2热电效应

1.2.1热电效应概述

1.2.2塞贝克(Seebeck))效应

1.2.3帕耳帖(Peltier)效应

1.2.4汤姆逊(Tjomson)效应

1.2.5材料的热电效率

1.2.6热电材料性能的表征

1.3热电材料的发展

1.3.1热电材料的新进展

1.3.2热电氧化物的发展

1.3.3钴基热电氧化物

1.4研究目的及内容

第2章热电材料的制备及测试方法

2.1热电材料的主要制备方法

2.1.1机械合金法

2.1.2共沉淀法

2.1.3溶胶-凝胶法

2.2放电等离子烧结

2.2.1国内外SPS的发展与应用状况

2.2.2等离子烧结简介

2.2.3 SPS基本烧结原理及特征

2.3实验方法及过程的确定

2.3.1氢氧化物共沉淀法实验过程

2.3.2 SPS方法实验过程

2.3.3溶胶-凝胶法实验过程

2.4实验设备及试剂

2.4.1实验设备

2.4.2试剂

2.5表征方法

2.5.1电感耦合等离子体发射光谱测定

2.5.2差热分析

2.5.3红外分析

2.5.4 X-射线衍射分析

2.5.5扫描电子显微镜

2.5.6相对密度的测定

第3章共沉淀法制备Ca2Co2O5前驱物

3.1实验过程pH值的确定

3.1.1 pH值的计算

3.1.2沉淀反应结束后对滤液的ICP分析

3.2前驱物的DTA-TG分析

3.3 XRD分析

3.4本章小结

第4章放电等离子烧结制备Ca2Co2O5

4.1 X-ray衍射分析

4.2 SEM扫描分析

4.3样品密度比较

4.4热导率分析

4.5电阻率测试

4.6 Seebeck系数的测定

4.7 Ca2Co2O5烧结样品的ZT值

4.8 Ca3Co4O9的制备

4.8.1 X-射线衍射分析

4.8.2 Ca3Co4O9的扫描电镜照片

4.9本章小结

第5章(La，Ce)xCa3-xCo4O9的制备及性能研究

5.1红外光谱分析

5.2 X-射线衍射分析

5.3晶格常数比较

5.4 SEM形貌分析

5.5热导率测试

5.6电阻率测试

5.7样品Seebeck系数的测定

5.8样品的ZT值

5.9本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢