P型Sr0．5Co4-xFexSb12化合物的制备及高温热电性能

采用熔融法结合放电等离子烧结（SPS）技术合成了P型填充方钴矿化合物Sr0．5Co4-xFexSb12，并研究了Fe掺杂对该化合物高温热电性能的影响。采用X．射线衍射（XRD）及电子探针（EPMA）表征了化合物的物相及化学成分，在300～850K温度范围内测试了化合物的电导率、赛贝克系数和热导率，采用Vande Pauw方法测试了化合物的室温载流子浓度。实验结果表明，化合物的主要相组成为Sr0．5Co4-xFexSb12方钴矿相，同时含有少量FeSb2和CoSb2杂质相。化合物的赛贝克系数均为正值，表明为空穴导电。随着Fe掺杂量的增加，化合物的载流子浓度及电导率增加，赛贝克系数降低，晶格热导率降低，最小室温晶格热导率为1．97 Wm^-1K^-2。对于化合物Sr0．5Co2.32Fe1.68Sb12在850K时获得的最大热电性能指数ZT约为0．60。     

Fe/Bi0.5Sb1.5Te3热电元件高温稳定性研究

热电元件的界面高温稳定性是决定热电器件服役性能和应用前景的重要因素, 而阻挡层和热电材料之间的界面扩散和界面电阻则是评价热电元件高温稳定性的主要标准。为了进一步提升P型碲化铋热电器件的界面稳定性, 本研究采用高通量筛选的方法选定适用于P型碲化铋的Fe阻挡层材料。通过一步烧结的方法制备了Fe/P-BT的热电元件, 并系统研究了高温加速老化实验下的Fe/P-BT的界面微观结构的演变和界面电阻率的稳定性。在老化过程中, Fe/P-BT的界面连接良好且Fe-Sb-Te的三元扩散层的成分基本不变。扩散层厚度与时间的平方根成线性关系, 生长激活能为199.6 kJ/mol。Fe/P-BT的界面电阻率较小且随着老化时间延长缓慢增大, 在350 ℃老化16 d后仍然低于10 μΩ·cm²。基于界面扩散动力学的寿命预测表明Fe可以用作Bi_0.5Sb_1.5Te₃热电元件的阻挡层材料。     

CoSb3基方钴矿热电材料保护涂层研究进展

热电转换技术可以利用固体中载流子输运实现热能与电能之间的相互转换,该技术具备无污染、无传动、无噪声等一系列优势。在太阳能光热复合发电、工业生产余废热回收利用等方面都极具潜力,为缓解环境及能源压力提供了新的研究方向。热电转换技术的性能通过无量纲优值ZT来衡量,ZT=S~2σT/κ,其中S是塞贝克系数,σ是电导率,T是绝对温度,κ是热导率。但目前热电器件转换与普通热机发电效率存在较大的差距,相对较低的转换效率是由于材料热电转换性能较低,即ZT优值较低导致。理论研究表明,热电材料ZT优值达到1以上就具备了商业应用价值。作为典型电子晶体-声子玻璃热电材料之一,锑化钴(CoSb_3)基方钴矿热电材料具有优异的热电性能,在过去20多年被广泛研究。填充、掺杂、纳米复合等方式能有效提升CoSb_3基热电材料的性能,其ZT值从CoSb_3二元方钴矿的0.5左右提升到了填充方钴矿的1.7～2.0。CoSb_3基方钴矿成为了最具潜力的中温区(500～850 K)的发电热电材料之一,CoSb_3基方钴矿热电器件的设计、集成、服役行为也随之展开。相关研究显示,CoSb_3基方钴矿热电转换器件在高温服役过程中,材料的劣化(如材料的氧化,元素的升华以及服役期间界面扩散等)会导致整个器件性能的降低,严重阻碍了方钴矿材料的商业化应用。打破限制CoSb_3基方钴矿器件实际应用的技术壁垒,扩大其应用领域,解决CoSb_3基方钴矿材料本身高温劣化性问题是当前方钴矿器件研究的热点之一。本文综述了CoSb_3基方钴矿热电材料的氧化、Sb元素升华等导致材料及器件失效的主要形式和各种CoSb_3基方钴矿热电材料保护涂层的最新研究进展,如金属类涂层Ti、Mo、Pt等,非金属类涂层玻璃、陶瓷、气凝胶等,以及复合涂层对方钴矿基材料的保护性能,以期为CoSb_3基方钴矿热电器件材料劣化性问题的解决提供参考。在热电器件实际服役中,各种热电材料都存在元素升华的现象,并且这些材料在氧分压过高的环境中工作同样面临着氧化问题,该综述对其他热电材料的保护、延长热电器件的使用寿命方面也具有一定的参考价值。     

SPS快速烧结制备纳米结构Ti5Si3-TiC复合材料

采用金属钛和碳化硅为初始原料,采用放电等离子体快速烧结(SPS)技术制备了致密纳米结构的Ti5Si3-TiC复合材料.借助XRD、SEM和TEM考察了复合材料的相组成和显微结构,利用压痕法测定了其室温显微硬度和断裂韧性.结果表明利用SPS技术可在1260℃,保温8 min条件下使金属钛和碳化硅同步完成反应、烧结、致密化,生成Ti5Si3-TiC复合材料,并且晶粒细小,其中TiC晶粒尺寸＜200nm.     

Te掺杂对SryCo4Sb12-xTex化合物热电性能的影响

采用熔融法结合SPS烧结技术合成了Sr_yCo₄Sb_12-xTe_x化合物, 并探讨了Te掺杂对化合物热电性能的影响. 采用XRD及EPMA确定了相组成及化学成分, 并测试了材料的高温热电性能. 实验结果表明, 虽然Te掺杂降低了Sr在CoSb₃中的填充量, 但是与具有相近Sr填充量的基体相比, Te掺杂提高了材料的载流子浓度和电导率, 同时也提高了塞贝克系数; Te掺杂由于引入了电子-声子散射, 进一步降低了材料的晶格热导率, 并且随着Te掺杂量的增加, 晶格热导率的降低幅度提高; 对x=0.05的样品Sr_0.18Co₄Sb_11.95Te_0.05, 在850K时, 材料的最大ZT值接近1.0, 与具有相近填充量的基体材料相比, ZT值提高了35％.     

Cu2Se类液态热电材料扩散阻挡层的研究

首先选用Mo作为Cu_2Se的扩散阻挡层材料,通过一步法热压烧结制备了Cu_2Se/Mo/Cu_2Se三明治结构样品,发现Cu_2Se/Mo异质界面具有极低的界面接触电阻率。但是,Cu_2Se/Mo界面结合强度较差,不利于器件的长时间稳定工作。随后,通过在Mo层中引入活性元素Mn,利用Mn在Cu_2Se中易于扩散的特点,在保持极低界面接触电阻率的同时,显著提高了异质界面的结合强度。高温长时间老化后,Cu_2Se/Mo-Mn界面仍然保持良好的界面结合和低的界面接触电阻率。表明Mo-Mn金属混合相是与Cu_2Se材料相匹配的扩散阻挡层,可用以开发具有良好服役性能的Cu_2Se基热电器件。     

高填充量BaxEuyCo4Sb12方钴矿热电性能研究（英文）

利用熔融法和等离子放电烧结(SPS)制备单相双原子填充BaxEuyCo4Sb12方钴矿材料并测试其高温热电性能。实验发现,在高填充量下(x+y>40%),材料在高温时具有高的功率因子(>60 W/(cm K2))。在方钴矿的晶格空洞中同时引入Ba和Eu两种填充原子,能增强晶格声子散射,从而大幅降低方钴矿的晶格热导。实验证实,BaxEuyCo4Sb12体系的晶格热导显著降低,其室温晶格热导最低达1.7 W/(m K)。与此对应的是双原子填充BaxEuyCo4Sb12方钴矿材料的热电优值(ZT值)明显增大,其中Ba0.19Eu0.23Co4Sb12的ZT值在850 K时达到了1.3。     

热电发电技术回收工业余热分析

工业余热资源形式多样且总量巨大, 节能潜力可观。利用热电发电技术将工业余热资源转化为电能, 既能提升能源利用率又可以降低热污染, 是实现双碳目标的重要技术途径。介绍了工业中不同类型余热的分布占比情况和热电发电的基本原理, 重点对热电发电技术在工业领域中的应用研究进展进行了综述, 并针对热电发电技术以及该技术在工业应用中存在的一些问题进行了分析、总结和展望。     

Sm掺杂对Ca3Co4O9+δ基化合物高温热电性能的影响

用溶胶-凝胶法合成了Ca3-xSmxCo4O9+5(x=0,0.15,0.3和0.45)化合物粉体,并用SPS(Spark Plasma Sintering)烧结方法制备出相对密度＞95%的块体材料.研究了Sm掺杂对其高温热电性能的影响.结果表明在Ca位用Sm替代后材料的Seebeck系数和电阻率都增大,热导率降低.当Sm的掺杂量为10%(即x=0.3)时可获得最佳的热电性能,1000K时它的ZT值可达0.3.     

高稳定W阻挡层的NbFeSb基半赫斯勒温差发电器件

半赫斯勒材料是兼具高性能和高稳定性的中高温热电材料,在深空探测等领域具有重要应用前景。开发了适用于p型Nb_0.86Hf_0.14FeSb的阻挡层W。通过1 073～1 173 K的真空等温老化实验,研究了Nb_0.86Hf_0.14FeSb/W界面的扩散反应行为和电输运性能。扫描电镜能谱分析发现界面发生了扩散反应并生成Fe-W反应层,反应层厚度与老化时间呈抛物线关系,表现为扩散控制过程,扩散激活能为211.1 kJ/mol。界面电阻率测试结果显示老化前后界面电阻率均小于1μΩ·cm²。基于有限元仿真计算结果,制备了以W为阻挡层的NbFeSb基温差发电器件。在温差为744 K时,器件的最大转换效率达9.5%,最大输出功率密度达2.27 W/cm²。