改性锰酸钙陶瓷的制备和热电性能研究

发布时间：2017-09-27 04:00

  本文关键词：改性锰酸钙陶瓷的制备和热电性能研究

  更多相关文章： 能源材料 热电性能 锰酸钙陶瓷 固相反应法 多元掺杂改性

【摘要】：由于具有低成本和环境友好等方面的天然优势,氧化物热电材料作为一种新型能源材料日益受到重视。在氧化物热电材料中,CaMnO3陶瓷具有能够在空气中合成和使用的优势,是一种具有优秀发展前景的热电材料。本论文主要对CaMnO3基陶瓷热电输运开展了研究,包括制备工艺的优化和化学配比的掺杂改性,来实现对CaMnO3基陶瓷热电性能的提高,探讨其中的电热输运物理机制,并对其温度稳定性和时间稳定性做了研究。本论文主要取得了以下成果：一、对CaMnO3基陶瓷的传统固相反应法中的制备工艺条件做了研究,确定了最佳的制备工艺。主要结果包括：1)分别采用6-24小时的球磨时间制备CaMnO3前驱粉,通过对比样品的热电性能发现,12小时球磨对于样品取得高致密度和高热定性能最为有效,所以确定CaMnO3基陶瓷的制备过程中的最佳球磨时间为12小时；2)烧结成瓷的过程采用温度在1473-1673 K范围内对CaMnO3基陶瓷进行烧结,通过对比样品的热电性能,得到最佳烧结温度为1573 K。二、采用单元素掺杂,分别对CaMnO3的Ca位和Mn位做掺杂改性,降低其电阻率,同时研究了单掺杂对热电性能的影响规律。对制备得到的CaMnO3基陶瓷热电性能做了评估分析,发现：1)以Dy掺杂CaMnO3基陶瓷作为研究对象进行了不同掺杂浓度的实验,掺杂浓度为2-15%。通过对样品的物相结构和电学输运的表征与对比,得到最佳的掺杂浓度为10%,其取得了高的功率因子为387 μW/(K2m); 2)选用La、Sm、Nd、Ho、Dy、Yb等一系列镧系元素对Ca位进行了10%的单掺杂,发现不同镧系元素对CaMnO3基陶瓷的电阻率影响较大,对Seebeck系数的影响则较小。得到了最优的掺杂元素为Dy元素,其最高ZT可以达到0.19；3)选用Nb、Ta、W、Mo等高价元素对CaMnO3基陶瓷进行了Mn位的掺杂改性。通过不同元素的掺杂对比,发现其中只有Ta元素掺杂能够得到纯相的CaMnO3基陶瓷,而其他三种元素的掺杂均有第二相出现,说明钙钛矿CaMnO3的Mn位掺杂较难实现。通过测试其热电性能,得到Ta元素掺杂的样品具有最高的功率因子236μW/K2m,但其数值要低于Ca位的单掺杂；4)几种掺杂结果都显示,高密度的样品可以取得较高的导电性,有利于提高样品的热电性能。三、对CaMnO3基陶瓷进行了Ca位的双元素掺杂改性,降低其热导率,并研究了Ca位双掺杂对热电性能影响的规律。双掺杂中一种元素为单掺杂中最优的Dy元素,第二种元素则尝试了多种三价元素,例如Bi元素、镧系元素等。得到了以下主要结果：1)Ca位的双掺杂能够同时实现改善CaMnO3基陶瓷的导电性能和导热性能的作用,既实现了单掺杂中镧系元素对CaMnO3基陶瓷电学输运的电学优化,取得了更高的功率因子,又实现了双掺杂对CaMnO3基陶瓷热学输运性能的优化,降低了其热导率；2)通过对不同元素的双掺杂(Dy/Bi、Dy/Yb)研究,发现了Ca位双掺杂的最佳掺杂浓度为2%,在这个掺杂浓度下能够取得最高的功率因子和最低的热导率。其中在Dy/Yb双掺杂中取得了ZT=0.27的最高值；3)在最佳的2%双掺杂浓度下,系统地对镧系元素进行了Ca位的双元素掺杂。分析结果发现,不同镧系元素对CaMnO3基陶瓷的热导率有影响,Dy/Yb双掺杂取得了最低热导率1.4W/(Km)。不同元素双掺杂中,样品的ZT值随掺杂元素的质量的增大而呈现上升趋势,说明重元素在Ca位双掺杂中的作用更显著。四、对CaMnO3基陶瓷进行了Ca/Mn位的双元素掺杂改性,降低其热导率,并研究了Ca/Mn位双掺杂对热电性能影响的规律。分别在Ca位选用Dy元素,在Mn位选用Nb、Ta、W元素对CaMnO3基陶瓷进行Ca/Mn位双元素掺杂改性,通过对样品的微观结构和热电性能的表征,得到了以下结果：1) Ca/Mn位双掺杂只有Dy/Ta双掺杂取得了没有第二相的CaMnO3基陶瓷,其他Mn位元素的掺杂都出现了第二相,导致样品的电阻率升高；2) Ca/Mn位的双掺杂除了能够有效的降低CaMnO3基陶瓷的电阻率,并且保持一定数值的Seebeck系数外,更能显著降低样品的热导率,其中2%的Dy/Ta掺杂可以将CaMnO3基陶瓷的热电优值提高到0.23@1023K; 3) Ca/Mn位双掺杂的结果都显示最佳的掺杂比例为各自2%的掺杂,过高的掺杂浓度会导致Seebeck系数的大幅降低,进而导致其ZT值的降低。五、以最佳的Ca0.96Dy0.02Yb0.02MnO3陶瓷为研究对象,对样品的抗老化性做了表征和分析,研究了CaMnO3基陶瓷的抗老化能力。主要对其温度的稳定性和时间的稳定性做了表征,内容包括：1)对Ca0,96Dy0.02Yb0.02MnO3陶瓷进行了多次升降温后测试其热电性能,在经历了10次升降温后,样品的热电性能基本保持不变,表明CaMnO3基陶瓷具有良好的温度稳定性；2)对Ca0.96Dy0.02Yb0.02MnO3陶瓷的热电性能随时间的变化做了测试,12个月的时间内的样品的热电性能变化不明显,说明CaMnO3基陶瓷具有优异的时间抗老化性能。本论文采用优化制备工艺、单元掺杂、双元掺杂等多种方法,较系统地研究了CaMnO3基陶瓷的热电输运特性,发现了镧系元素双掺杂更利于提高样品的功率因子,而重元素掺杂更利于降低其热导率,通过重镧系元素的双掺杂提高了CaMnO3基陶瓷的热电性能。研究结果表明,改性CaMnO3基陶瓷是一类很有前景的热电材料,具有很高的科研和实用价值。同时,本论文的研究方法对类似的热电材料体系的研究提供了一定的借鉴和参考价值。本论文对CaMnO3基陶瓷的抗老化性能的研究,表明CaMnO3基陶瓷具有很好温度稳定性和时间稳定性,这对其在热电模块中的使用非常有利。
【关键词】：能源材料 热电性能 锰酸钙陶瓷 固相反应法 多元掺杂改性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-19
• 符号说明19-20
• 第一章 绪论20-52
• 1.1 热电学发展历史20-23
• 1.2 热电效应和开尔文关系式23-25
• 1.2.1 塞贝克效应(Seebeck effect)23-24
• 1.2.2 帕尔贴效应(Peltier effect)24
• 1.2.3 汤姆逊效应(Thomson effect)24-25
• 1.2.4 开尔文关系式(Kelvin relations)25
• 1.3 热电转换效率和热电优值系数25-28
• 1.3.1 热电转换效率25-28
• 1.3.2 热电优值系数28
• 1.4 热电材料输运特性28-37
• 1.4.1 载流子输运特性28-33
• 1.4.2 声子输运特性33-36
• 1.4.3 热电优值系数的优化36-37
• 1.5 热电材料研究进展37-44
• 1.5.1 氧化物热电材料优势与前景38-39
• 1.5.2 p型氧化物热电材料39-41
• 1.5.3 n型氧化物热电材料41-44
• 1.6 论文的选题意义和研究内容44-46
• 1.6.1 论文的选题意义44
• 1.6.2 论文的研究内容44-46
• 1.7 实验流程及样品测试46-52
• 1.7.1 实验原料及制备仪器46
• 1.7.2 氧化物陶瓷材料的制备工艺46-48
• 1.7.3 热电陶瓷的测试和表征48-52
• 第二章 CaMnO_3制备条件优化52-60
• 2.1 球磨时间对Ca_(0.9)Dy_(0.1)MnO_3陶瓷热电性能的影响52-56
• 2.1.1 球磨时间对Ca_(0.9)Dy_(0.1)MnO_3陶瓷物相结构的影响52-54
• 2.1.2 球磨时间对Ca_(0.9)Dy_(0.1)MnO_3陶瓷电学输运的影响54-56
• 2.2 烧结温度对Ca_(0.9)Dy_(0.1)MnO_3陶瓷热电性能的影响56-59
• 2.2.1 烧结温度对Ca_(0.9)Dy_(0.1)MnO_3陶瓷物相结构的影响56-57
• 2.2.2 烧结温度对Ca_(0.9)Dy_(0.1)MnO_3陶瓷电学输运的影响57-59
• 本章小结59-60
• 第三章 单元素掺杂对热电性能的影响60-73
• 3.1 Ca位不同浓度Dy掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能60-64
• 3.1.1 Ca_(1-x)Dy_xMnO_3基陶瓷的物相结构60-62
• 3.1.2 Ca_(1-x)Dy_xMnO_3基陶瓷的电学输运特性62-64
• 3.2 Ca位镧系元素10%掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能64-68
• 3.2.1 CaMnO_3陶瓷和Ca_(0.9)Re_(0.1)MnO_3陶瓷的电学输运特性64-66
• 3.2.2 CaMnO_3陶瓷和Ca_(0.9)Re_(0.1)MnO_3陶瓷的热学输运特性66-68
• 3.3 Mn位(Nb,Ta,W,Mo)掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能68-72
• 3.3.1 CaMn_(0.9)R_(0.1)O_3陶瓷的物相结构69
• 3.3.2 CaMn_(0.9)R_(0.1)O_3陶瓷的电学输运特性69-72
• 本章小结72-73
• 第四章 Ca位双掺杂对热电性能的影响73-101
• 4.1 Dy/Bi双掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能73-80
• 4.1.1 Ca_(1-2x)Dy_xBi_xMnO_3陶瓷的物相结构73-75
• 4.1.2 Ca_(1-2x)Dy_xBi_xMnO_3陶瓷的电热输运特性75-80
• 4.2 Dy/Yb双掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能80-86
• 4.2.1 Ca_(1-2x)Dy_xYb_xMnO_3陶瓷的物相结构80-81
• 4.2.2 Ca_(1-2x)Dy_xYb_xMnO_3陶瓷的电热输运特性81-86
• 4.3 Dy/(La,Nd,Sm)掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能86-93
• 4.3.1 Ca_(0.98)Dy_(0.02)MnO_3和Ca_(0.96)Dy_(0.02)Re_(0.02)MnO_3陶瓷的物相结构86-87
• 4.3.2 Ca_(0.98)Dy_(0.02)MnO_3和Ca_(0.96)Dy_(0.02)Re_(0.02)MnO_3陶瓷的电热输运特性87-93
• 4.4 Dy/(Ho,Er,Tm)掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能93-100
• 4.4.1 Ca_(0.96)Dy_(0.02)Re_(0.02)MnO_3(Re=Ho,Er,Tm)陶瓷的物相结构93-95
• 4.4.2 Ca_(0.96)Dy_(0.02)Re_(0.02)MnO_3(Re=Ho,Er,Tm)陶瓷的电热输运特性95-100
• 本章小结100-101
• 第五章 Ca/Mn位双掺杂对热电性能的影响101-118
• 5.1 Dy/Nb双掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能101-107
• 5.1.1 Ca_(1-x)Dy_xMn_(1-x)Nb_xO_3陶瓷的物相结构101-103
• 5.1.2 Ca_(1-x)Dy_xMn_(1-x)Nb_xO_3陶瓷的热电输运特性103-107
• 5.2 Dy/Ta双掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能107-112
• 5.2.1 Ca_(1-x)Dy_xMn_(1-x)Ta_xO_3陶瓷的物相结构107-108
• 5.2.2 Ca_(1-x)Dy_xMn_(1-x)Ta_xO_3陶瓷的电热输运特性108-112
• 5.3 Dy/W双掺杂CaMnO_3陶瓷的热电性能112-117
• 5.3.1 Ca_(1-x)Dy_xMn_(1-x)W_xO_3陶瓷的物相结构112
• 5.3.2 Ca_(1-x)Dy_xMn_(1-x)W_xO_3陶瓷的电热输运特性112-117
• 本章小结117-118
• 第六章 CaMnO_3陶瓷的抗老化性研究118-123
• 6.1 CaMnO_3基陶瓷样品的温度稳定性研究118-120
• 6.2 CaMnO_3基陶瓷样品的时间稳定性研究120-122
• 本章小结122-123
• 第七章 结论与展望123-125
• 参考文献125-143
• 致谢143-145
• 攻读博士期间科研成果和奖励145-148
• 英文论文 一148-153
• 英文论文 二153-158
• 附件158

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