【摘 要】
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热电材料是一类可直接实现热能/电能相互转化的新能源材料。以P/N热电材料交替排列组成的热电器件具有结构简易、活动部件少、维护率低、噪音低、安全稳定等众多优点,在世界
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热电材料是一类可直接实现热能/电能相互转化的新能源材料。以P/N热电材料交替排列组成的热电器件具有结构简易、活动部件少、维护率低、噪音低、安全稳定等众多优点,在世界化石能源危机的21世纪受到了广泛关注。本文研究的Cu2-xQ(Q=S,Se)是近几年来所提出的“电子晶体-声子液体”新型热电材料体系,与已商业化应用的高性能热电材料诸如碲化铋等相比具有原料含量丰富廉价、低毒、环境友好等优点,发展前景十分光明。作为新体系材料,其合成工艺、机理急需摸清,体系材料的性能还比较低,且超离子相变带来巨大热电优势的同时其铜离子长程迁移导致的材料不稳定问题也是亟待解决的。本文着眼于p型Cu2-xQ(Q=S,Se)体系热电材料,采用溶液法(包括水热法(HS)和湿化学法(WCM))制备化合物粉体,着力于摸清制备工艺探明合成机理、控制粉体微观形貌,采用放电等离子烧结(SPS)法制备块体,通过组元优化提升材料热电性能,寻找解决铜离子长程迁移导致材料不稳定问题的办法。研究表明,Cu2-xQ(Q=S,Se)的合成机理是不尽相同的,通过调整合成工艺可以成功控制其产物微观结构。凭借溶液法的微观结构可控性,可降低Cu2S材料的热导率,样品在773 K时获得的最高ZT值为0.62,在此基础上通过粉体制备工艺改进和块体组成控制成功提高了其热电性能,所制备块体样品达到ZT值1.01@773 K。此外采用溶液法+SPS制备了P型Cu2Se1.15多晶块体,在623 K时得到最高的ZT值0.75,这是Cu-Se体系在该温度下的最高值。结合Cu2S和Cu2Se两者的特性通过水热法制备了Cu2Se1-xSx(x=0.1,0.3,0.5)合金粉体,并在烧结过程中,样品发生自发原位相分离形成了两相混合结构,极大地增强了声子的散射使得Cu2Se0.9S0.1样品在773 K时取得高达1.43的ZT值。本论文通过复合材料制备及第二相原位生成等方法,有效地抑制铜离子的长程迁移造成的铜单质析出沉淀,为解决超离子导体电和热稳定性问题提供了新的思考方向。
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