本文關(guān)鍵詞：CoSb_3基方鈷礦熱電材料的合成及其性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：熱電材料作為一種環(huán)境友好而且使用靈活的能源轉(zhuǎn)換材料,近年來被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注與研究。以Co Sb3為代表的方鈷礦材料作為典型的中溫區(qū)熱電材料,具有良好的應(yīng)用前景。作為熱電材料,Co Sb3具有較高的電導(dǎo)率和Seebeek系數(shù),然而它的熱導(dǎo)率比較高,導(dǎo)致了其熱電性能并不理想,從而限制了它在熱電器件上的應(yīng)用。研究證明,使用其他原子替代晶格框架原子(Co或Sb)或填充晶格空位可大幅度地降低Co Sb3的晶格熱導(dǎo)率,同時提高材料的電輸運性能,從而顯著改善Co Sb3的熱電性能。本論文以Co Sb3基方鈷礦化合物為研究對象,進一步探索不同元素進行框架原子替代及本征空隙填充對Co Sb3化合物的熱電性能的作用規(guī)律。采用第一性原理計算,利用Materials Studio軟件包中的CASTEP模塊構(gòu)建Co Sb3以及Co8Sb23Te的晶胞模型并計算了其在零壓及高壓下的電子結(jié)構(gòu)以及能帶結(jié)構(gòu),然后結(jié)合Boltzmann輸運理論,研究不同壓力下Co8Sb23Te的熱電輸運性質(zhì)(電導(dǎo)率與弛豫時間比值,Seebeck系數(shù)以及功率因子與弛豫時間的比值)隨化學(xué)勢以及載流子濃度的變化關(guān)系。結(jié)果表明,Co8Sb23Te的Seebeck系數(shù)的極值隨壓力的增加而顯著增加,電導(dǎo)率與弛豫時間比值隨壓力的增加先降低后提高。在20GPa下功率因子與弛豫時間比值與零壓下相比高出一倍。理論計算表明Co8Sb23Te的熱電性能可通過適當(dāng)提高壓力來改善。根據(jù)理論計算結(jié)果,采用高壓法合成了單相Te替代Co Sb3化合物,詳細調(diào)查了不同Te摻雜量對Co Sb3的熱電性能的影響。隨著Te摻雜量的增加,載流子濃度增大至最佳載流子濃度范圍,材料的功率因子明顯提高。Co4Sb11.5Te0.5展現(xiàn)了最大功率因子(溫度高于650K時,功率因子保持在4000mWm-1K-2),與最佳單元素填充Co Sb3材料相當(dāng)。由于Te替代Sb引入多余電子,產(chǎn)生電聲散射有效降低了材料的熱導(dǎo)率,最終獲得了較高的熱電性能。Co4Sb11.5Te0.5樣品的熱電優(yōu)值在883K時達到1.15,堪比目前最佳單元素填充方鈷礦的水平。采用上述同樣方法合成了Fe與Te雙元素替代的樣品Co4-xFexSb12-yTey(x=0,0.1,0.2,y=0.5,0.6,0.7),并研究了這些樣品的熱電性能,進而闡明了不同F(xiàn)e、Te摻雜量對Co Sb3材料各熱電性能產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明相同電子數(shù)的樣品中,Fe、Te雙摻雜樣品電阻率比單Te摻雜樣品的電阻率高,但功率因子仍保持在較高的水平。此外Fe元素的引入,增加了材料中的點缺陷(晶格畸變),增強了對聲子的散射,材料的熱導(dǎo)率進一步降低。Co3.8Fe0.2Sb11.3Te0.7樣品的熱電優(yōu)值在883K達到了1.26。采用熔融退火結(jié)合放電等離子體燒結(jié)技術(shù)制備單相的SmyCo4Sb12,并對其結(jié)構(gòu)以及熱電性能進行了詳細調(diào)查。通過Rietveld精修確定了Sm在Co Sb3中的最大填充分數(shù)為0.08。由于Sm的填充,樣品的功率因子顯著提高,同時熱導(dǎo)率明顯降低,Sm0.6Co4Sb12的熱電優(yōu)值提高至0.8。為了進一步增大Sm的填充分數(shù),使用高壓合成技術(shù)成功制備了Sm填充Co Sb3化合物,并對其結(jié)構(gòu)、熱電性能進行了詳細調(diào)查。結(jié)果表明高壓法合成的樣品中Sm填充分數(shù)提高到0.2,實現(xiàn)了三價元素填充Co Sb3的最佳填充分數(shù)。Sm填充分數(shù)為0.2時功率因子在830K時達到最高值5000mWm-1K-2,其晶格熱導(dǎo)率在770K左右低至1.33W/m K。最終的熱電優(yōu)值在830K時達到1.17,比常壓下制備的最佳樣品Sm0.6Co4Sb12的最高熱電優(yōu)值0.8高出45%。與常壓制備方法相比,高壓合成方法可有效提高元素的填充分數(shù),從而能夠進一步優(yōu)化材料的熱電性質(zhì)。
【關(guān)鍵詞】：方鈷礦化合物 高壓合成 第一性原理計算 Boltzmann輸運理論 元素填充CoSb3
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB34;O611.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 熱電效應(yīng)12-13
• 1.2 熱電材料的表征及輸運性能13-20
• 1.2.1 Seebeck系數(shù)13-15
• 1.2.2 電導(dǎo)率15
• 1.2.3 熱導(dǎo)率15-17
• 1.2.4 熱電參數(shù)間的相互關(guān)系17-18
• 1.2.5 熱電效率18-20
• 1.3 熱電材料的研究進展20-22
• 1.4 CoSb_3基方鈷礦熱電材料22-26
• 1.4.1 方鈷礦材料的晶體結(jié)構(gòu)22-23
• 1.4.2 CoSb_3基方鈷礦材料的基本性能23-25
• 1.4.3 CoSb_3基方鈷礦熱電性能的優(yōu)化思路與方法25-26
• 1.5 本論文的研究思路及主要內(nèi)容26-28
• 第2章 不同壓力下Co_8Sb_(23)Te的電子結(jié)構(gòu)以及熱電性質(zhì)的第一性原理計算28-45
• 2.1 基本原理介紹29-34
• 2.1.1 電子結(jié)構(gòu)的第一性原理簡介29-31
• 2.1.2 玻爾茲曼輸運理論31-34
• 2.2 采用的計算軟件及方法34-35
• 2.2.1 Materials Studio (CASTEP)34
• 2.2.2 WIEN2K34
• 2.2.3 BoltzTraP34-35
• 2.2.4 計算方法35
• 2.3 不同壓力下Co_8Sb_(23)Te的性質(zhì)研究35-44
• 2.3.1 Co_8Sb_(23)Te的結(jié)構(gòu)模型35-37
• 2.3.2 不同壓力下Co_8Sb_(23)Te的電子結(jié)構(gòu)37-38
• 2.3.3 不同壓力下Co_8Sb_(23)Te的輸運性能38-42
• 2.3.4 Co_8Sb_(23)Te的載流子濃度的優(yōu)化42-44
• 2.4 本章小結(jié)44-45
• 第3章 Te取代CoSb_3的高壓合成及熱電性能研究45-60
• 3.1 引言45-46
• 3.2 計算方法以及樣品的制備與表征46-48
• 3.2.1 計算方法46-47
• 3.2.2 高壓設(shè)備簡介47
• 3.2.3 樣品制備47-48
• 3.2.4 結(jié)構(gòu)表征與性能測試48
• 3.3 Co_4Sb_(12-x)Te_x的形成焓分析48-49
• 3.4 Co_4Sb_(12-x)Te_x樣品的結(jié)構(gòu)及輸運性能分析49-54
• 3.4.1 結(jié)構(gòu)分析49-51
• 3.4.2 輸運性能分析51-54
• 3.5 Co_4Sb_(12)-xTex樣品的熱電性能分析54-59
• 3.5.1 電學(xué)性質(zhì)54-57
• 3.5.2 熱導(dǎo)率57-58
• 3.5.3 ZT值58-59
• 3.6 本章小結(jié)59-60
• 第4章 雙元素Fe-Te取代CoSb_3的合成及熱電性能研究60-69
• 4.1 引言60-61
• 4.2 Co_4-xFe_xSb_(12)-yTey化合物的制備與表征61-62
• 4.2.1 樣品的制備61
• 4.2.2 結(jié)構(gòu)表征與性能測試61-62
• 4.3 Co_4-xFe_xSb_(12)-yTey的結(jié)構(gòu)分析62-63
• 4.4 Co_4-xFe_xSb_(12)-yTey的熱電性能分析63-68
• 4.5 本章小結(jié)68-69
• 第5章Sm填充CoSb_3的常壓合成及熱電性能研究69-83
• 5.1 引言69-70
• 5.2 Sm填充CoSb_3的制備70-71
• 5.3 SmyCo_4Sb_(12)的結(jié)構(gòu)分析71-75
• 5.4 Sm填充CoSb_3樣品的輸運性能分析75-76
• 5.5 Sm填充CoSb_3樣品的熱電性能分析76-81
• 5.5.1 SmyCo_4Sb_(12)樣品的Seebeck系數(shù)分析76-77
• 5.5.2 SmyCo_4Sb_(12)樣品的電阻率分析77-78
• 5.5.3 SmyCo_4Sb_(12)樣品的功率因子分析78
• 5.5.4 SmyCo_4Sb_(12)樣品的熱導(dǎo)率分析78-80
• 5.5.5 SmyCo_4Sb_(12)樣品的ZT值分析80-81
• 5.6 本章小結(jié)81-83
• 第6章 Sm填充CoSb_3的高壓合成及熱電性能研究83-100
• 6.1 引言83-85
• 6.2 SmyCo_4Sb_(12)的高壓合成及表征85-86
• 6.2.1 SmyCo_4Sb_(12)樣品的高壓合成85-86
• 6.2.2 SmyCo_4Sb_(12)樣品結(jié)構(gòu)表征與性能測試86
• 6.3 SmyCo_4Sb_(12)的結(jié)構(gòu)分析86-89
• 6.4 SmyCo_4Sb_(12)樣品的熱電輸運性質(zhì)分析89-99
• 6.4.1 SmyCo_4Sb_(12)樣品的電學(xué)及輸運性質(zhì)分析89-96
• 6.4.2 SmyCo_4Sb_(12)樣品的熱學(xué)性質(zhì)分析96-97
• 6.4.3 SmyCo_4Sb_(12)樣品的熱電性能分析97-99
• 6.5 本章小結(jié)99-100
• 結(jié)論100-102
• 參考文獻102-113
• 攻讀博士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果113-115
• 致謝115-116
• 作者簡介116

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 楊梅君;;Nanostructuring and Thermoelectric Properties of Bulk N-type Mg_2Si[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition);2009年06期

2 宋新莉;袁澤喜;劉靜;彭冰;文長波;;機械合金化及等離子體燒結(jié)法制備Skutterudite熱電材料Fe_xCo_(4-x)Sb_(12)[J];武漢科技大學(xué)學(xué)報;2008年04期

  本文關(guān)鍵詞：CoSb_3基方鈷礦熱電材料的合成及其性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：328156