论文部分内容阅读
热电材料是一种能够实现热能和电能之间相互转换的新型能源材料。在热电材料研究领域,梯度材料概念的引入可以使热电材料的性能与使用温度得到最佳匹配,同时,有望使热电系统的转换效率得到大幅提高。
本论文首先采用熔融-退火法制备了Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12粉末,通过放电等离子烧结获得均质Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12块体材料,并对其性能进行了研究。其次,根据它们性能指数随温度的变化规律,对二元梯度结构Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12/Ca3Co4O9热电材料的界面温度进行了优化,为了使梯度结构热电材料在473K至973K的温度范围内具有最佳的热电性能,本研究同时对梯度结构中各均质材料的长度进行了优化设计。第三,通过分步放电等离子烧结的方法制备了梯度结构Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12/Ca3Co4O9热电材料,介绍了梯度结构热电材料平均Seebeek系数和温度关系的表征,对梯度材料在473K至973K.温度范围内的输出功率进行了研究。
研究的结果发现:用熔融-退火法在923K下退火120h,合成了CeyFe1.5Co2.5Sb12(y=0.1-0.4)方钻矿化合物。研究表明当Ce的填充量为0.3时,Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12化合物具有最低的热导率和最高的Seebeck系数,使得Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12化合物具有最大的ZT值,在873K得到最大值ZT为0.47。在中温区域内(473-873K),Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12的热电性能指数随温度先增加后降低,当温度高于950K时,均质材料Ca3Co4O9表现出较Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12高的热电性能指数,因此,可以通过对其进行结构梯度化设计来获得在一个较宽的温度范围内具有较高性能指数梯度结构Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12/Ca3Co4O9热电材料,通过优化设计得出,均质材料Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12和Ca3Co4O9最佳的界面结合温度约为950K,当梯度结构Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12/Ca3Co4O9热电材料在473K至973K的温度范围使用时,对梯度热电材料中均质材料Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12和Ca3Co4O9的长度比进行了优化设计,设计的结果表明:最佳的Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12和Ca3Co4O9的长度比约为1:5。采用分步放电等离子烧结的方法制备出了二元结构梯度Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12/Ca3Co4O9热电材料,结合SEM和EDS对SPS烧结制备的梯度结构材料分析发现,两基体界面处结合良好,基体元素未出现明显扩散。二元梯度结构热电材料Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12/Ca3Co4O9的Seebeek系数和功率因子在较大的温度范围内表现出较高的数值。理论计算结果表明,Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12、Ca3Co4O9和FGM最大转换效率分别为4.8％、0.13％和1.62％。