Bi掺杂La0.1Sr0.9TiO3基陶瓷的制备及热电性能研究

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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。
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